CC BY
31
ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА
№ 5 (41) 2012
С. В. Ковальчук, канд. техн. наук, старший научный сотрудник НИИ наукоемких компьютерных технологий НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург
К. В. Князьков, младший научный сотрудник НИИ наукоемких компьютерных технологий НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург
Т. Н. Чуров, младший научный сотрудник НИИ наукоемких компьютерных технологий НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург П. А. Смирнов, инженер НИИ наукоемких компьютерных технологий НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург
А. В. Бухановский, докт. техн. наук, главный научный сотрудник НИИ наукоемких компьютерных технологий НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург
Организация человеко-компьютерного взаимодействия в средах компьютерного моделирования на базе облачной инфраструктуры1
Современные задачи компьютерного моделирования в большинстве случаев требуют использования высокопроизводительных программных и аппаратных средств. Это приводит к необходимости организации высокопроизводительной программно-аппаратной инфраструктуры, обеспечивающей высококачественное решение поставленной задачи.
Введение
Для решения стоящей перед пользователем задачи в рамках вычислительной инфраструктуры должны быть доступны все необходимые программные, аппаратные и информационные ресурсы, организованные в виде композитного при-
1 Работа выполнена в рамках проектов «Создание распределенной вычислительной среды на базе облачной архитектуры для построения и эксплуатации высокопроизводительных композитных приложений», выполняемого в рамках реализации Постановления Правительства РФ № 218 (разработаны классы консольных и программных интерфейсов, интерфейсов системы управления workflow и интерфейсов интеллектуального инструктора); «Исследование и разработка web-ори-ентированного производственно-исследовательского центра в конкретной прикладной области» федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (разработан класс проблемно-ориентированных интерфейсов).
ложения (composite application). Одним из современных подходов к организации такой инфраструктуры является концепция облачных вычислений [1], обеспечивающая динамическое формирование вычислительной инфраструктуры в соответствии с запросами пользователя. Данная концепция определяет доступ к инфраструктуре на различных уровнях, формируя набор предоставляемых пользователю услуг (в соответствии таким подходам, как Infrastructure-as-a-Service, Software-as-a-Service, Platform-as-a-Service и пр.).
Однако задачи компьютерного моделирования характеризуются не только вычислительной, но и структурной сложностью. Как следствие, особую значимость приобретает построение композитных приложений на основе разнородных программных решений. Традиционно задача построения композитных приложений решается в рамках концепции workflow [2], обеспечивающей интегра-
^^ 89
Технологии разработки программного обеспечения К> Программно-аппаратные комплексы
цию и поддержку взаимодействия существующих сервисов (услуг). Современные инструментальные средства компьютерного моделирования обеспечивают поддержку разработки таких композитных решений, автоматизации их исполнения и предоставления пользователю данных.
Упомянутые концепции ориентированы,
3 в первую очередь, на обеспечение каче-^ ственного решения проблемы на систем-ji ном уровне. Однако специфика решений <| определяет необходимость разработки специализированных подходов к организации
5 человеко-компьютерного взаимодействия ^ с учетом особенностей решаемой задачи компьютерного моделирования. В данном случае типичный пользователь — это специалист предметной области, решающий =с задачу моделирования некоторой системы. =§ Вследствие структурной сложности моде-§ лируемой системы пользователь сталкива-|| ется с необходимостью настройки и инте-Ц грации разнородных программных средств, * использования различных информацион-| ных источников, что требует знания спе-¡и цифики использования данных ресурсов. S С другой стороны, междисциплинарный ха-
Ц рактер проекта определяет необходимость 8
4 использования знаний из смежных пред-
¡5 метных областей при построении композит-■
£ ного приложения, отвечающего поставлен-
<§ ным требованиям. В рамках концепции IPSE
В (Intelligent Problem Solving Environment) [3] эта проблема решается путем формализа-
g ции экспертных знаний и их использования
| для интеллектуальной и информационной
5 поддержки пользователя, а также автоматизации процессов планирования и выпол-
| нения композитных приложений в гетеро-
|| генных вычислительных средах. При этом
g использование унифицированных проблем-
Si но-ориентированных средств [4] дает воз-
§ можность построения диалога с пользова-
S телем в рамках унифицированной терминологии предметной области. Таким образом,
| пользователь изолируется от специфики ра-
| боты с программными и аппаратными ре-
§ сурсами, задействованными в композитном
приложении. При этом реализация пользовательских интерфейсов приобретает специфические особенности, связанные с применением знаний в целях обеспечения поддержки пользователя в процессе использования облачных сред для компьютерного моделирования.
В настоящей работе исследуются методологические особенности организации человеко-компьютерного взаимодействия на основе набора классов пользовательских интерфейсов, обеспечивающих доступ к облачной вычислительной инфраструктуре для решения задач моделирования сложных систем.
Компьютерное моделирование с использованием облачной инфраструктуры
Концепция облачных вычислений, ориентированная на предоставление вычислительных ресурсов в форме услуг, включает пять этапов развития, объединенных в рамках модели эволюции облачных вычислений (Cloud Computing Maturity Model, CCMM [6, 7]): консолидация доступных ресурсов в рамках единой среды (consolidation), абстракция ресурсов (abstraction), автоматизация процесса использования ресурсов (automation), организация поддержки при работе с ресурсами (utility) и формирование рынка сервисов (market). Работа на каждом этапе определяет индивидуальные требования к процедуре взаимодействия с конечным пользователем.
В структуре задачи компьютерного моделирования можно выделить ряд базовых понятий (концептов), определяющих объекты, которыми манипулирует пользователь.
1. Объект моделирования — ключевой концепт компьютерного моделирования, нацеленного на определение некоторых характеристик данного объекта за счет использования одной или нескольких моделей, ассоциированных с ним.
2. Модель — служит для получения знаний об объекте моделирования. Представляет со-
бой некоторую математическую или логическую структуру, отражающую заданный набор характеристик исследуемого объекта.
3. Метод — императивное описание процедуры работы с моделью для получения характеристик, проверки гипотезы и т. п. Очевидно, что могут существовать несколько реализаций одного и того же метода.
4. Реализация метода — алгоритм, включенный в состав доступного пользователю вычислительного пакета и ассоциированный с некоторым методом.
5. Вычислительный сервис — вычислительный пакет, установленный на выделенном ресурсе в распределенной среде, используемый в режиме удаленного доступа.
Перечисленные понятия формируют концептуальную иерархию (КИ) компьютерного моделирования, которая может быть использована в качестве базовой структуры для организации процессов, данных и знаний. В частности, КИ может быть использована для организации экспертных знаний (например, [8]) в рамках концепции iPSE. В настоящей статье предлагается при построении пользовательских интерфейсов использовать структурированные знания в целях обеспечения необходимого уровня поддержки пользователя и автоматизации процесса моделирования сложных систем. В результате исследований авторами разработаны пять классов пользовательских интерфейсов, которые могут быть соотнесены как с уровнями модели CCMM, так и с уровнями КИ в рамках решения задач компьютерного моделирования. В следующем разделе эти классы будут рассмотрены более подробно с указанием особенностей их использования при построении сред компьютерного моделирования на базе облачной инфраструктуры.
В рамках концепции iPSE разработана многофункциональная инструментально-технологическая платформа CLAVIRE (CLoud Applications VIRtual Environment) [5], реализующая принципы работы с вычислительными ресурсами в рамках концепции облачных вычислений.
Классы пользовательских интерфейсов Ц
£
о
Консольный, или программный, интерфейс |
г.
Основной задачей консольного интер- ^ фейса является предоставление централи- < зованного доступа к ресурсам (программ- §* ным, аппаратным, информационным), дос- ^ тупным в рамках облачной инфраструктуры. <3 Такой подход может быть соотнесен с уров- ^ нем консолидации в рамках ССММ. В рам- <о ках сервисно-ориентированной архитектуры ^ он соответствует прямому доступу к серви- ^ сам облачной инфраструктуры, что соответствует концептуальному уровню КИ. Работа § на данных уровнях ССММ и КИ подразуме- | вает низкоуровневое использование вычис- ^ лительной инфраструктуры: прямой доступ ¡¡^ к сервисам инфраструктуры, явное зада- ^ ние данных и пр. Несмотря на то, что доступ г| к облачной среде выполняется на уровне § сервисов, данный интерфейс должен обес- ^ печивать возможность построения компо- ^ зитных приложений для решения задач моделирования сложных систем.
Консольный интерфейс предназначен в первую очередь для интеграции разработанных пользователем решений. Являясь наиболее низкоуровневым из рассматриваемых классов, он предназначен для технических специалистов, обладающих достаточной компетенцией для работы инструментальными программными средствами. Возможны два варианта реализации подобного интерфейса: интерфейс командной строки, предназначенный для отладочных запусков, и программный, ориентированный на интеграцию разрабатываемых пользователем приложений. При разработке экспертные знания могут быть использованы для неявной, с точки зрения пользователя, настройки сервисов: оптимизации производительности, определения технических параметров запуска и пр.
В платформе CLAVIRE данный класс представлен программным средством JobPusher, предоставляющим пользователю консольный интерфейс для запуска композитных приложений в облачной среде. В ка-
Ч..... 91
честве параметров консольной программе передается описание композитного приложения в виде workflow на языке EasyFlow [4], явное указание на расположение входных и выходных данных, а также информация для аутентификации пользователя (имя пользователя и пароль). Кроме того, в настройках программы JobPusher указыва-з ются сервисы облачной инфраструктуры, ^ с использованием которых осуществляется ji запуск композитного приложения. Несмот-<| ря на то что язык EasyFlow использует аб-■§■ страктный уровень задания программных 5 средств, явное указание данных и исполь-^ зуемых сервисов запуска определяет положение этого интерфейса на уровне консо-
5 лидации. §
« Проблемно-ориентированные
I интерфейсы
СО Э
=1 Проблемно-ориентированный интерфейс Ц (ПОИ) — это специализированный интер* фейс пользователя, который позволяет | в терминах предметной области формиро-¡и вать вычислительное задание для выпол-Ц нения с использованием прикладных про-g граммных пакетов в облачной инфраструк-^ туре. С одной стороны, формирование па-¡5 раметров в терминах предметной области, £ а также автоматизация процесса запуска <§ приложения (без явного указания исполь-В зуемых сервисов) определяет работу данного интерфейса на уровне абстракции | CCMM. С другой стороны, формируемое | композитное приложение строится посред-¡2 ством абстрактных вызовов прикладных па-^ кетов, являющихся реализацией моделей, | используемых для решения поставленной | задачи. Таким образом, ПОИ соответствуют g следующему уровню КИ. На уровне абстрак-§ ции CCMM возможна работа с прикладными § сервисами без указания конкретных исполь-S зуемых программно-аппаратных ресурсов.
При этом параметры запуска прикладных
<? пакетов должны задаваться с использова-
| нием унифицированного синтаксиса и спо-
§ соба задания в рамках единой семанти-
ки предметной области, вне зависимости от их последующей трансляции во входные данные пакета. Таким образом, одни и те же параметры предметной области должны задаваться одинаковым способом.
ПОИ ориентированы в первую очередь на специалистов предметной области, решающих типовые задачи, не требующие конструирования и детальной конфигурации решения, ограничиваясь заданием необходимых параметров предметной области. ПОИ должен формироваться автоматически на базе формализованного описания прикладных пакетов, доступных в облачной среде. При этом результаты вычислений должны предоставляться пользователю с учетом требований, аналогичных требованиям к параметрам запуска.
В среде CLAVIRE ПОИ реализуется в форме веб-приложения для запуска прикладных пакетов, доступных в облачной среде (рис. 1).
Полный процесс подготовки запуска задачи в рамках ПОИ состоит их двух шагов: формирование входных данных и указание параметров запуска. Для пакета указываются входные данные, на основании которых с использованием базы пакетов (компонент CLAVIRE) производится сборка входных файлов для запуска приложения. Данный шаг отвечает за формирование прикладной задачи. Пользователю предоставляются поля для ввода значений параметров (набор параметров может динамически изменяться). В ходе заполнения пользователь может видеть подсказки, связанные со значениями параметров. Автоматически проверяется корректность ввода пользователя. Второй шаг (ввод параметров запуска) не является обязательным, так как все действия по планированию исполнения пакетов скрыты от пользователя и выполняются автоматически. В некоторых ситуациях полезна возможность выбора режимов распараллеливания пакета или выбора ресурса для запуска. Пользователь проверяет сформированные входные данные, после чего может быть осуществлен запуск на исполнение задачи.
92......
Рис. 1. Пример реализации ПОИ
На следующем после запуска шаге пользователь видит окно мониторинга исполнения задания и может отслеживать процесс. По завершении вычислительного процесса формируется интерфейс просмотра результатов запуска пакета, в частности, обработанных в автоматическом режиме платформой CLAVIRE.
Система управления workflow
Как сказано выше, при формировании композитных приложений применяется концепция workflow, что требует разработки соответствующих решений при построении пользовательских интерфейсов. Использование системы управления workflow ( workflow management system) должно обеспечить поддержку пользователя при построении индивидуального композитного приложения за счет автоматической интеграции сервисов, доступных в рамках облачной инфраструктуры. Таким образом, данный класс интерфейсов может быть соотнесен с уровнем автоматизации в рамках CCMM. Система управления должна обеспечить описание алгоритма работы композитного приложения, используя абстрактные (без указания конкретных сервисов в составе инфраструктуры) вызовы отдельных приложений, т. е. работа осуществляется на уровне абстрактного workflow (AWF). При этом работа с приложениями осущест-
вляется на уровне вызова отдельных методов в процессе выполнения алгоритма, что определяет соответствие уровню метод КИ. Работая на уровне автоматизации, данный класс пользовательских интерфейсов должен максимально изолировать пользователя от специфики отображения абстрактных вызовов на множество доступных ресурсов. Программная система, реализующая данный класс интерфейсов, должна автоматически транслировать AWF в исполняемую форму, ассоциировать с его элементами вызовы существующих в инфраструктуре прикладных сервисов и обеспечить корректную параметризацию прикладных пакетов.
Типичный пользователь, работающий с интерфейсом данного класса, заинтересован в самостоятельном конструировании и контроле исполнения композитных приложений, работая с ними в рамках модели workflow. Ввиду потенциально высокой структурной сложности workflow пользователю должна предоставляться возможность работы как в текстовой, так и в графической нотации. Первая позволяет осуществить детальную настройку его элементов, а вторая — получить лучшее представление об общей структуре workflow. Помимо этого пользователю может предоставляться возможность мониторинга процесса исполнения с выводом информации об интерпретации (отображении) абстрактных вы-
1 £
о
а:
а
«
0
1 <
Ci
ео о
« S
-а Й
1 во
Ü я
£
^^ 93
Технологии разработки программного обеспечения К> Программно-аппаратные комплексы ^-
I
и
i f
>!S О
If §
0
8
S
1
S
1 е
I
I Si
I I
§
i»
t §
I
<2 c®
e
I
I Si si
£
0
1 I
I I
зовов, этапах выполнения workflow и пр. Процесс исполнения workflow должен быть полностью автоматическим (проводиться без участия пользователя), а в ходе исполнения пользователь должен иметь возможность получения доступа к промежуточным данным, ассоциированным с отдельными блоками workflow.
В CLAVIRE интерфейс системы управления workflow является базовым средст-
вом человеко-компьютерного взаимодействия и реализуется в форме веб-приложения Ginger (рис. 2 а, б), использующего перечисленные принципы работы. Ginger позволяет формировать композитное приложение в форме AWF на языке EasyFlow и исполнять сформированное приложение, предварительно указав входные данные, доступные в хранилище (работающем в облачной среде под управлением CLAVIRE). Формируе-
а)
б)
Рис. 2. Интерфейс Ginger. Построение композитного приложения (а); выполнение композитного приложения (б)
мый AWF представляет собой декларативную структуру, определяющую последовательность вызовов отдельных методов предметной области, реализованных прикладными пакетами. В интерфейсе редактирования workflow (рис. 2а), реализованном приложением Ginger, AWF представляется как в текстовой, так и в графической нотации. Интерфейс мониторинга запуска (рис. 2б) приложения позволяет проанализировать процесс интерпретации (построения конкретного workflow, включающего формируемые в автоматическом режиме вызовы выбранных сервисов) в ходе выполнения AWF.
Интерфейс интеллектуального инструктора
Этот интерфейс предназначен для сравнительного анализа различных вариантов реализации и запуска композитных приложений, решающих поставленную задачу компьютерного моделирования. Интеллектуальный инструктор функционирует на уровне поддержки CCMM, предоставляя пользователю возможность обоснованного выбора решений. С точки зрения КИ данный подход работает на уровне моделей, ввиду того что сравнительный анализ способов решения задачи начинается с выбора модели, представляющей исследуемую систему. Модель в данном случае является «отправной точкой» работы интеллектуального инструктора, анализирующего допустимые способы исследования выбранной модели (методов), которые являются композитными приложениями, формируемыми на более низких уровнях КИ.
Актуальность применения интеллектуального инструктора обусловлена, в первую очередь, возможностью использования формализованного опыта экспертов в части решения задач компьютерного моделирования. Притом востребованы знания, необходимые для построения качественного (с точки зрения предметной области) решения, знания, связанные с использованием доступных программно-аппаратных ресур-
сов, а также знания о способах построения | композитных решений. Таким образом, при | сравнительном анализе интеллектуальный || инструктор должен использовать набор зна- ^ ний, обеспечивающий возможность оцен- < ки отдельных частей и целых композитных §* приложений в соответствии с различными ^ критериями качества. При этом оценки мо- <3 гут быть ассоциированы с различными уров- ^ нями КИ (от сервисов до моделей). В ходе анализа следует опираться на совокупность ^ критериев качества, включающую оценки эй решения с точки зрения как предметной области (например, обеспечение наибольшей § точности результата), так и технологии реа- | лизации(например, обеспечение наиболее ^ высокой производительности). ¡¡^
Ввиду того что информация, предостав- ^ ляемая интеллектуальным инструктором, по- г| строена с применением экспертных знаний, § целесообразно использовать его не только ^ непосредственно при компьютерном моде- ^ лировании, но и в ходе обзорного изучения методов и средств решения задач компьютерного моделирования в избранной предметной области.
Применение пользовательским интерфейсом специализированных графических структур для представления информации в ходе многоуровневой и многокритериальной оценки обеспечивает эргономич-ность реализуемого решения. Например, полученные оценки могут обеспечить построение дерева альтернативных решений, уровни иерархии которого соответствуют уровням КИ (рис. 3а). Верхний уровень данного дерева соответствует решаемой задаче и модели исследуемой системы, а нижние — рассмотренным ранее уровням абстракции. Листья дерева соответствуют оцениваемым альтернативным решениям. Используемое графическое представление должно быть интерактивным. Пользователь должен иметь возможность ручной и автоматической фильтрации решений на каждом из уровней КИ, задания параметров, описывающих задачу, которые являются аргументами для оценки.
v 95
i Задача поиска \
'ч ^ седло вой точки J
Задача одной" точки J
Задача оптими-1 зации геометрии,1
(О СО
О Задача одной точки
а)
Входные параметры: ► Система: файл Выходные параметры:
◄ НР (КЭ) орбитали
◄ НР (КЭ) энергия -
¡^ Информация о параметрах ( Характеристики
Объяснение вывода
DI
DFT] о Хартри-Фока^ { ^ Хартри-Фока" Хартри-Фока" + MP2I i4X +CCI
& О Хартри-Фока "у. [X Хартри-Фока .^.j О Хартри-Фока
1 Входные параметры: ► Базис 6-31G 1 Входные параметры: ' 1 ► Базис MINI ' Входные параметры: ► Базис: PC3
£ ч ~ --- /
и
i f
>!S О
If §
0 <8
1
S
1 е
I
I Si
3
I
§
i»
t ¡5 I
<2 «О
5
I
I Si
si £
0
1 1 I I
•А](еГ
is
iS | MOLPRO4] |
___________________
'A {¡J
0
GAMESS
Входные параметры:
► Тип SCF: RHF
► Максимальное число итераций SCF: 300
► Прямое SCF: Да
О
GAMESS
Входные параметры:
► Тип SCF: RHF
► Максимальное число итерацийSCF: 300
► Прямое SCF: Да
Кластер"4! НИИ НКТ #11
d
Грид ННС
Кластер" НИИ НКТ #11
(о
zz:
Грид ННС
б)
Время расчета: 20...32 мин Стоимость: 10 ед. Надежность: 0,98 Точность: 0,6 ( Редактирование скрипта ( Объяснение вывода
Э
информация J
Время расчета: 1...1,5 ч Стоимость: 30 ед. Надежность : 0,95 Точность: 0,95
Редактирование скрипта Объяснение вывода
С До
_э
информация
Рис. 3. Интерфейс интеллектуального инструктора. Дерево решений (а); реализация iKnowledgeTree (б)
В составе платформы CLAVIRE данный класс интерфейсов реализован в рамках веб-приложения iKnowledgeTree (рис. 3б), предоставляющего интерфейс сравнительного анализа вариантов решения для задач моделирования с использованием облачной инфраструктуры. Для формализации знаний в iKnowledgeTree используются онтологическая структура, описывающая основные сущности, соответствующие анализируемым концептуальным уровням, а также параметры, позволяющие оценить различные варианты решения по набору критериев качества (точность, скорость и т. п.). Выбранное решение для модификации и запуска с использованием интерфейса Ginger (см. выше).
колич Сост;
Виртуальные моделирующие объекты
Концепция виртуальных моделирующих объектов (virtual simulation objects, VSO) разработана для обеспечения возможности формирования (а не выбора, как в предыдущем случае) структурной модели системы, которая позволяет путем моделирования исследовать некоторую реальную систему [10]. Данная концепция позволяет удовлетворить растущий интерес исследователей к системологическому (в противовес процедурно-ориентированной концепции workflow) подходу к моделированию сложных систем [9]. Концепция VSO ориентирована, с одной стороны, на построение средств (в том числе визуальных) для исследования систем, состоящих из взаимодействующих объектов. При этом каждый из виртуальных объектов, входящих в систему, ассоциируется с набором связанных моделей, позволяющих исследовать различные его характеристики. Таким образом, данная концепция соответствует наивысшему элементу в КИ — уровню объектов моделирования. С другой стороны, при рассмотрении междисциплинарных проектов, требующих использования знаний из различных предметных областей, данная концепция позволяет применять виртуальные моделирующие объекты как единицу отчуждения знаний: знания о способах моделирования, агрегированные в структуру виртуального объекта, могут распространяться в форме библиотек знаний (в том числе коммерческих), организующих процесс моделирования в облачной инфраструктуре. Таким образом, концепция VSO может стать ключевым элементом для предоставления сервисов моделирования в рамках открытого рынка знаний, что соответствует последнему уровню CCMM.
Типовые пользователи интерфейсов данного класса заинтересованы в построении композитных приложений, нацеленных на решение междисциплинарных задач, которые связаны с моделированием сложных систем, включающих разнородные (относящиеся к различным предметным областям) объекты. Как следствие, интерфейс должен
предоставлять возможность конструирова- | ния и настройки структурной модели. Эта | функция может быть реализована в форме || графического редактора, предоставляюще- ^ го пользователю «палитру» доступных объ- < ектов, которые могут быть включены (и да- §* же многократно) в структурную модель. При этом, как и в случае с интеллектуальным ин- <3 структором, ввиду сложности формируемой ^ структурной модели (включающей информацию о реализации процесса моделирования ^ на различных уровнях КИ) пользовательский эй интерфейс должен использовать для представления структурной модели исследуемой § системы специализированные графические | структуры. Такие структуры могут быть пред- ^ ставлены графами, в узлах которых находят- ¡¡^ ся виртуальные объекты. В свою очередь, ^ каждый из объектов может содержать гра- г| фовые структуры, описывающие взаимодей- § ствие используемых моделей. В целях обес- ^ печения возможности настройки отдельных ^ виртуальных объектов, их параметризации, включения и отключения моделей, входящих в их состав, графическое представление структурной модели должно быть интерактивным. При формировании структурной модели необходима интеллектуальная поддержка пользователя: система должна обеспечивать автоматизированную настройку (параметризацию, построение связей, включение и отключение элементов) структурной модели в соответствии с действиями пользователя.
Структурная модель исследуемой системы объектов должна быть интерпретируемой с точки зрения пользователя (понятна в терминах предметной области) и системы (допускать автоматический запуск вычислительного процесса с использованием облачной инфраструктуры). Как следствие, модель должна допускать возможность автоматизированного запуска процесса моделирования с использованием доступных вычислительных ресурсов облачной инфраструктуры. С другой стороны, при анализе результатов моделирования она служит инструментом организации (упорядочивания) и представления (визуализации и интеллек-
Ч..... 97
I
и
i f
>!S О
If §
0
8
S
1
S
1 е
I
I Si
I I
§
i»
t §
I
<2 c®
e
I
I Si si
0
1 I
I I
Рис. 4. Работа с виртуальными моделирующими объектами в среде VirSimO
туального анализа) результирующих данных, выдаваемых пользователю.
Примером данного класса может служить интерфейс программного средства VirSimO, предоставляющего пользователю интерфейс для манипуляции виртуальными моделирующими объектами (рис. 4). VirSimO позволяет пользователю сконструировать описание системы из имеющихся в библиотеке виртуальных объектов, указать их характеристики (загрузив данные в хранилище или указав их в интерфейсе), выбрать и настроить модели в каждом из объектов и запустить моделирование с использованием платформы CLAVIRE. Для этого формируется композитное приложение, описанное в форме workflow, использующего данные, доступные в хранилище CLAVIRE.
Особенности использования интерфейсов
Описанные классы интерфейсов могут быть использованы для предоставления пользователям доступа к облачной инфра-
структуре на различных уровнях. Предложенная последовательность классов в общем случае характеризуется снижением уровня технической детализации и повышением степени использования экспертных знаний для автоматизации процессов построения и исполнения композитных приложений.
Можно выделить ряд методологических особенностей, характеризующих представленные классы пользовательских интерфейсов.
1. Применение экспертных знаний позволяет обеспечить автоматизированную поддержку пользователя на всех этапах работы. При этом сочетание знаний из множества предметных областей со знаниями в области информационных технологий позволяет разрабатывать высокоуровневые программно-информационные системы для специалистов, занимающихся решением задач компьютерного моделирования. Базирующаяся на концепции iPSE реализация предлагаемых классов пользовательских интерфейсов тесно связана с использованием формализованных экспертных знаний.
2. Приложения категории «тонкий клиент» (в частности, веб-приложения) призваны предоставить пользователю возможность удаленной работы с распределенными вычислительными ресурсами. В рассмотренных примерах реализации большинство интерфейсов представлено веб-приложениями, что позволяет использовать их без предварительной установки.
3. Использование графической нотации и специализированных визуальных схем (виртуальных объектов, деревьев решений, графической нотации workflow) позволяет предоставлять пользователю информацию в более наглядном и структурированном виде. Значимость использования графических средств представления знаний возрастает с повышением сложности структуры самих знаний.
4. Поддержка и контроль работы с использованием интерфейсов указанных классов позволяет решить задачу защиты ресурсов от некорректных действий пользователя. Данная функция реализуется в случае как ошибок, так и преднамеренных попыток вмешательства в работу среды.
5. Предложенные подходы позволяют, предоставляя доступ к ресурсам на различных уровнях, изолируя пользователя от деталей низкоуровневой реализации построенного решения, неявно интегрировать различные программные, аппаратные, информационные ресурсы, доступные в рамках облачной инфраструктуры.
6. Разработанные интерфейсы вследствие использования экспертных знаний предметной области имеют методическую и информационную ценность, предоставляя возможность менее компетентным специалистам приобщиться к знаниям экспертов в процессе навигации по пользовательскому интерфейсу. Кроме того, использование студентами для запуска тестовых задач предметной области описанных интерфейсов может играть обучающую роль.
7. При реализации предложенных интерфейсов в форме веб-приложений возможна их интеграция в веб-портал, который может
выполнять функции информационной под- | держки, организации социальной сети для | обмена знаниями, предоставления мульти- || медийных обучающих материалов и т. п. ^
Разработанные классы пользователь- < ских интерфейсов востребованы различны- §* ми категориями пользователей. Выделяются две группы лиц, заинтересованных в по- <3 строении качественных пользовательских ^ интерфейсов для компьютерного модели- g-рования: разработчики композитных при- Ji ложений, решающие задачи компьютерного ^ моделирования (группа А), и разработчики программных средств для построения таких Si приложений (группа Б). В таблице 1 приве- g дены типовые роли представителей данных ^ групп, с указанием наиболее востребован- ¡¡^ ных классов интерфейсов.
В рамках группы А можно выделить не- г| сколько классов пользователей: §
1) разработчики-исследователи, зани- ^ мающиеся построением композитных при- tj ложений для решения задач компьютерного моделирования в рамках одной предметной области или междисциплинарных областях. Наиболее востребованы у них высокоуровневые инструментальные средства построения композитных приложений: системы управления workflow, интеллектуальные инструкторы, среды работы с виртуальными моделирующими объектами (для решения междисциплинарных задач). При этом исследователь (в зависимости от уровня компетентности и решаемых задач) может разрабатывать композитное приложение
«с нуля» при помощи системы управления workflow или воспользоваться интеллектуальной поддержкой, предоставляемой более высокоуровневыми средствами;
2) инженеры, решающие типовые задачи с использованием облачной инфраструктуры. Типовой задачей такого пользователя является запуск существующего композитного приложения с новыми данными. При этом само приложение незначительно модифицируется. Как следствие, наиболее востребованными для данной категории пользователей являются проблемно-ориентирован-
^^ 99
Технологии разработки программного обеспечения К> Программно-аппаратные комплексы
ные интерфейсы. При разработке решений, имеющих междисциплинарный характер, в состав инструментов этого пользователя могут войти программные средства на базе концепции VSO, используемые для более удобной настройки композитных приложений, формируемых по готовой структурной модели исследуемой системы;
3) учащиеся, использующие средства компьютерного моделирования в процес-
се изучения отдельных дисциплин и компьютерного моделирования в целом. Наиболее востребован данными пользователями класс ПОИ, обеспечивающий запуск известных и признаваемых экспертным сообществом прикладных решений без необходимости их установки и детального изучения технологии использования. При этом пользователи могут осваивать возможности прикладных пакетов, анализируя их работу
Таблица 1
Востребованность интерфейсов различных классов (по категориям пользователей)
Категории пользователей Консольный, или программный, интерфейс Проблемно-ориентированный интерфейс Система управления workflow Интеллектуальный инструктор Виртуальные моделирующие объекты
А. Разработчики композитных приложений
Разработчики композитных приложений — специалисты предметной области — — + + —
Разработчики междисциплинарных композитных приложений — — + + +
Инженеры — специалисты предметной области — + — — —
Инженеры — разработчики высокотехнологичных междисциплинарных решений — + — — +
Учащиеся — специалисты предметной области — + — +
Учащиеся — специалисты в области компьютерного моделирования — + — + *
Б . Разработчики программных решений на базе облачной инфраструктуры
Разработчики решений для задач компьютерного моделирования в одной предметной области + + + + —
Разработчики универсальных платформ для решения задач компьютерного моделирования + + + + +
Разработчики комплексных информационных решений (порталов) в предметных областях + + * * —
Разработчики библиотек знаний по предметным областям — — — + +
Разработчики бизнес-решений на базе облачной инфраструктуры + + + * *
I
и
i f
>!S
О ?
s
чЗ
0
8 §
1
S
1
е
I
i Si
3
I
§
i»
t
¡5 I
<2 С®
5
I
+ — использование; * — перспективное направление использования.
I Si si
0
1 I
I
100 ,
с точки зрения изучаемой предметной области. Другим важным классом пользовательских интерфейсов является интеллектуальный инструктор, позволяющий учащимся устанавливать качественные различия между альтернативными решениями задач предметной области. Кроме того, изучающими общие принципы компьютерного моделирования в перспективе могут быть востребованы программные средства на базе концепции VSO, позволяющие более детально рассмотреть процессы моделирования сложных систем.
В рамках группы Б можно выделить ряд направлений разработки (и соответствующие им категории разработчиков), которые могут требовать реализации различных классов пользовательских интерфейсов:
1) разработчики решений для компьютерного моделирования(универсальных или предназначенных для отдельных предметных областей) могут использовать любые из перечисленных классов интерфейсов в зависимости от того, на какую целевую аудиторию из группы А рассчитано разрабатываемое программное средство. При этом для междисциплинарных и универсальных решений набор расширяется интерфейсом программных средств на базе концепции VSO. Кроме того, низкоуровневый класс консольных и программных интерфейсов наиболее востребован данной категорией пользователей. Примерами таких разработок могут служить проекты в области социо-динамики [11], гидрометеорологии [12], проектирования морских объектов и сооружений [13], выполненные на базе платформы CLAVIRE (как общего решения для компьютерного моделирования с использованием облачной инфраструктуры) при участии авторского коллектива;
2) разработчики информационных и технологических решений (в частности, порталов) в различных предметных областях наиболее заинтересованы в низкоуровневых интерфейсах: ПОИ для предоставления пользователям доступа к прикладным пакетам и программным интерфейсам для
интеграции с облачной инфраструктурой. | Тем не менее перспективой развития таких | систем можно считать использование бо- || лее высокоуровневых интерфейсов для по- ^ строения и запуска композитных приложе- < ний. Примером такого решения (в том чис- §* ле реализовавшего указанные перспективы) может служить портал «Компьютерное <3 моделирование в нанотехнологиях»2, также ^ интегрирующий в себя среду CLAVIRE;
3) разработка библиотек знаний представляет собой начальный шаг в организа- эй ции рынка знаний о способах компьютерного моделирования, предоставляемых в ка- §
•О
честве сервисов. При этом наиболее вос- | требованные в данном случае интерфейсы ^ относятся к высокоуровневым классам, ис- ¡¡^ пользующим для работы базы высокоуров- ^ невых предметных знаний о качестве реше- г| ний (интеллектуальные инструкторы) и спо- § собах моделирования сложных систем (ин- ^ терфейсы на базе концепции VSO);
4) разработка полнофункциональных бизнес-решений может считаться перспективным направлением развития программных сред для моделирования сложных систем, опирающихся, с одной стороны, на универсальные платформы для запуска композитных приложений, сформулированных в терминах предметных областей, с другой — на информационную поддержку, оказываемую с использованием предметных порталов, и, наконец — на библиотеки высокоуровневых знаний. Развитие этого направления разработки позволит сформировать электронные площадки для эффективной совместной работы коллективов (в том числе междисциплинарных) ученых и инженеров, обмена знаниями, обучения, организации процесса решения сложных междисциплинарных задач. Данное направление может быть реализовано как в коммерческом, так и в некоммерческом направлении. В первом случае такие
2 Учебно-научный комплекс «Компьютерное моделирование в нанотехнологиях». URL: http://hpc-nasis. ifmo.ru/.
ч 101
площадки станут платформой для экспертов и других специалистов предметной области, работающих на коммерческой основе (при централизованной оплате, по схеме freelance и т. п.). Во втором случае становится возможным формирование открытых сообществ специалистов в области компьютерного моделирования с целью об-з мена опытом, консультаций, сотрудниче-^ ства и т. п.
Ц: Последние два направления разработки <| в настоящиее время реализуются авторским коллективом в рамках развития платформы 5 CLAVIRE.
0 £
§
Заключение
to
В работе предлагаются пять классов
=с пользовательских интерфейсов, обеспечи-
=| вающие доступ к облачной инфраструкту-
§ ре на различных уровнях абстракции и в со-
|| ответствии с различными этапами эволю-
Ц ции облачной инфраструктуры. Формиро-
* вание и функционирование предложенных
| интерфейсов осуществляется с примене-
¡и нием экспертных знаний, что обеспечивает
S значительную степень автоматизации, а так-
Ц же высокий уровень информационной и ин-8
sg теллектуальной поддержки пользователя.
¡5 Представленные классы интерфейсов могут
£ быть реализованы в рамках широкого круга
<§ проектов, востребованных различными ка-
В тегориями пользователей (исследователи, инженеры, учащиеся). При этом описанные
g особенности реализации и использования
| данных интерфейсов позволяют обеспе-
g чить высокий уровень качества и функциональности разрабатываемых программных
| средств.
и
1 Список литературы
Sc
3 1. Foster I. et al. Cloud Computing and Grid Com-
§ puting 360-Degree Com-pared // eprint arXiv:
S 0901.0131, 2008. URL: http://arxiv.org/ftp/arxiv/
I papers/0901/0901.0131.pdf.
2. Gil Y. et al. Examining the Challenges of Scientific
| Workflows // IEEE Computer. 2007. Vol. 40. Is. 12.
§ P. 24-32.
3. Бухановский А. В., Ковальчук С. В., Марьин С. В. Интеллектуальные высокопроизводительные программные комплексы моделирования сложных систем: концепция, архитектура и примеры реализации // Известия вузов. Приборостроение. 2009. № 10. С. 5-24.
4. Князьков К. В., Ларченко А. В. Предметно-ориентированные технологии разработки приложений в распределенных средах // Известия вузов. Приборостроение. 2011. № 10. С. 36-42.
5. Бухановский А. В. и др. CLAVIRE: перспективная технология облачных вычислений второго поколения // Известия вузов. Приборостроение. 2011. № 10. С. 7-13.
6. GTSI Cloud Computing Maturity Model. URL: http://www.gtsi.com/cms/documents/White-Papers/ Cloud-Computing.pdf.
7. Urquhart J. A maturity model for cloud computing. URL: http://news.cnet.com/8301-19413 _3-10122295-240.html.
8. Ковальчук С. В., Маслов В. Г. Интеллектуальная поддержка процесса конструирования композитных приложений в распределенных проблемно-ориентированных средах // Известия вузов. Приборостроение. 2011. № 10. С. 29-35.
9. Foster I., Kesselman C. Scaling System-Level Science: Scientific Exploration and IT Implications // Computer. 2006. Vol. 39. № 11. P. 31-39.
10. Смирнов П. А., Ковальчук С. В., Бухановский А. В. Виртуальные объекты как описательное средство при решении задач компьютерного моделирования // XIX Всероссийская научно-методическая конференция «Телемати-ка'2012». URL: http://tm.ifmo.ru/tm2012/db/doc/ get_thes.php?id=255.
11. Иванов С. В. и др. Web-ориентированный производственно-исследовательский центр «Социо-динамика» // Известия вузов. Приборостроение. 2011. № 10. С. 65-71.
12. Мостаманди С. В. и др. Ансамблевые прогнозы экстремальных гидрометеорологических явлений в распределенной среде CLAVIRE // Известия вузов. Приборостроение. 2011. № 10. С. 102-104.
13. Безгодов А. А. и др. Виртуальный полигон для исследовательского проектирования морских объектов и сооружений // Известия вузов. Приборостроение. 2011. № 10. С. 58-64.
