Характеристика предметной области




Скачать 182.34 Kb.
НазваниеХарактеристика предметной области
Дата14.02.2013
Размер182.34 Kb.
ТипДокументы
Интернет-коллекции по молекулярной спектроскопии


Бабиков Ю.Л., Барб А.*, Головко В.Ф., Михайленко С.Н., Тютерев Вл.Г.*

Институт оптики атмосферы СО РАН, Томск, Россия

*Реймский университет, Франция

E-mail: ylb@iao.ru, alain.barbe@univ-reims.fr, gvf@iao.ru, semen@lts.iao.ru, vladimir.tyuterev@univ-reims.fr

Введение


Появление и бурное развитие мировой сети Интернет и ее использование мировым научным сообществом привело к существенному изменению способа общения внутри этого сообщества. Помимо того, что Сеть стала традиционным средством общения членов сообщества между собой, в последнее время появилось значительное количество веб-сайтов, содержащих научную информацию как в виде публикации результатов исследований, так и в виде баз данных в различных областях науки. В работе дается обзор Интернет-ресурсов в области молекулярной спектроскопии, приводится описание двух информационных систем, доступных в сети Интернет: “Атмосферная спектроскопия” и “Спектроскопия и молекулярные свойства озона”, а также излагаются принципы построения и архитектура этих систем.


Характеристика предметной области




Молекулярная спектроскопия изучает поглощение света молекулами в различных диапазонах частот при различных значениях параметров окружающей среды (температуры, давления, электрических и магнитных полей). Одной из основных задач молекулярной спектроскопии является получение как можно более точной и полной информации о поглощении излучения различными веществами (как правило, на основе анализа лабораторных спектров). Другой ее задачей является моделирование атмосферных спектров и восстановление вертикальных профилей концентраций атмосферных газов и температуры на основе спектроскопических параметров, полученных из высокоточных спектров поглощения высокого разрешения.


Рассматриваемая область науки характеризуется большими объемами как экспериментальных, так и расчетных данных. Например, полный расчетный колебательно-вращательный спектр молекулы воды содержит около 400 миллионов спектральных линий [7]. Экспериментальные спектры регистрируются на дорогостоящих лабораторных установках и представляют собой записанные с определенным разрешением по частоте коэффициенты пропускания или поглощения. Расчетные спектры получаются путем обработки экспериментальных данных с использованием физических моделей, требующей зачастую больших вычислительных ресурсов [7], и представляют собой наборы параметров спектральных линий (центр линии, ее интенсивность, энергия нижнего квантового состояния, идентификация верхнего и нижнего квантовых состояний, полуширины линий и ряд других).


Все вышесказанное является причиной того, что работы по созданию электронных коллекций в рассматриваемой предметной области ведутся на протяжении многих лет. Наиболее представительными и признанными мировым сообществом коллекциями являются банки данных по молекулярной спектроскопии HITRAN [9], GEISA [4], JPL Submillimeter Catalog [8].


Обзор существующих Интернет-коллекций по молекулярной спектроскопии




В настоящее время доступная в Интернет информация по молекулярной спектроскопии существует в нескольких формах, которые перечислены ниже в порядке возрастания степени сложности их организации и набору предоставляемых пользователю сервисов.

  1. WWW – сайты, содержащие описания направлений деятельности, основных достижений, публикаций лабораторий, занимающихся данной тематикой. Такая информация есть практически у всех.

  2. Архивы данных и программ, организованные в виде набора файлов, доступных в Интернет. Такие архивы существуют для банков данных HITRAN (http://www.hitran.com), JPL (http://spec.jpl.nasa.gov).

  3. Интернет-ресурсы, содержащие средства для выполнения запроса на выбор интересующих пользователя подмножеств данных, извлечение их из архивов и баз данных и отображение на сайте. Такими возможностями обладают банк данных GEISA (http://www.ara.polytechnique.fr), каталог JPL (http://spec.jpl.nasa.gov), атомная и молекулярная база данных для астрономии (The Smithsonian Astrophysical Observatory Atomic & Molecular Database for Astronomy: http://cfa-www.harvard.edu/amdata/ampdata/kurucz23/sekur.html). Наиболее развитые по набору предоставляемых сервисов являются базы данных Национального института стандартов и технологии США (NIST): Wavenumber Calibration Tables From Heterodyne Frequency Measurements (Special Publication 821) Arthur G. Maki and Joseph S. Wells (http://physics.nist.gov/PhysRefData/wavenum/html/contents.html) и Atomic Spectra Database (http://physics.nist.gov/cgi-bin/AtData/main_asd). Они имеют средства графического отображения информации и базу библиографических ссылок с возможностью тематического поиска.

  4. Информационные системы (ИС), позволяющие помимо выборки информации из баз данных и архивов решать задачи, базирующиеся на этих данных. Примеры таких систем, за исключением описываемых ниже, авторам не известны.



Принципы построения Интернет-доступных информационных систем по молекулярной спектроскопии


Целью создания информационных систем, использующих спектроскопическую информацию, является предоставление пользователю инструмента для интерактивного доступа по сети Интернет к данным и результатам исследований в области спектроскопии высокого разрешения атмосферных газов при различных условиях (температуре, давлении и т.д.) и решения ряда прикладных задач, базирующихся на этих данных.


Эти системы должны удовлетворять следующим требованиям:

  • решать задачи в предметной области;

  • предоставлять набор выразительных средств отображения информации в графической и табличной формах;

  • содержать библиографическую и справочную информацию;

  • являться интерактивными, т.е. обладать возможностью быстрого изменения отображаемой информации при изменении ее параметров;

  • быть открытыми, т.е. должен существовать способ получения результатов в форме, доступной для дальнейшего использования.



Ниже описаны две доступные в сети Интернет информационные системы, разработанные авторами доклада. При их создании был использован опыт, накопленный в ходе работы над автономными системами, такими, как Airsentry [3] и T.D.S. [10], созданными при участии авторов.


Информационная система “Атмосферная спектроскопия” (АС)




Система предназначена для предоставления доступа через Интернет к информации о параметрах спектральных линий (ПСЛ) и сечениях поглощения атмосферных газов и малых примесей и решения ряда прикладных задач. Основу базы данных составляют широко распространенные банки данных Hitran-2000 [9] и Geisa-97 [4].

К числу задач, решаемых системой, можно отнести следующие:

  • Построение частотных профилей диаграмм интенсивностей, коэффициентов поглощения, спектров пропускания и поглощения при различных параметрах. К числу варьируемых параметров относятся температура, давление, форма контура (фойгтовский, лорентцовский или доплеровский), тип уширения спектральной линии, шаг по частоте и учитываемая длина крыла линии при расчете коэффициентов поглощения, спектров пропускания и поглощения, а также длина оптического пути при расчете спектров пропускания и поглощения. Расчет статистических сумм для получения значений интенсивностей спектральных линий при разных температурах произведен по программе Р.Гамаша [2]. Для большинства молекул диапазон температур составляет 70-3000K.

  • Приготовление пользователем собственной смеси газов или изотопов.

  • Конволюция спектра высокого разрешения в спектр низкого разрешения с помощью аппаратной функции, моделирующей влияние щели прибора. Аппаратная функция может быть выбрана из предопределенного набора или задана пользователем в табличном виде.



Все результаты могут быть получены на сайте http://spectra.iao.ru в графическом или табличном виде, они могут быть также загружены на компьютер пользователя или отправлены пользователю по электронной почте в виде текстовых файлов для дальнейшей обработки. Система позволяет хранить результаты вычислений на сервере в пределах выделенной квоты дискового пространства. В системе реализован режим запуска задач, требующих большого времени, в пакетном режиме и возможен мониторинг выполнения задач со стороны пользователя. Система предоставляет также такие сервисы как база организаций, занимающихся смежной тематикой, с краткими аннотациями и ссылками на их Интернет-ресурсы и база библиографических ссылок с возможностью тематического и контекстного поиска.


Доступ к системе возможен как для незарегистрированных, так и для зарегистрированных пользователей. Регистрация в системе свободна и требуется лишь для того, чтобы обеспечить выполнение функций, для которых необходима идентификация пользователя (сохранение на сервере результатов расчетов, сохранение в БД системы газовых смесей и аппаратных функций пользователя, запуск пакетных заданий и т.д.). С развитием системы набор функциональных возможностей системы, доступных только зарегистрированным пользователям, будет расширяться.


Описанная система разрабатывается как часть интегрированной системы “Оптика атмосферы” [12] (грант РФФИ 99-07-90104). Авторы благодарны доктору Л.Ротману и профессору Н.Уссо за разрешение использовать базы данных HITRAN и GEISA в данной информационной системе.


Информационная система “Спектроскопия и молекулярные свойства озона” (S&MPO)




Система в значительной степени перекликается с описанной выше как по способу реализации, так и по функциональным возможностям и интерфейсу пользователя. Основным ее отличием является то, что она сконцентрирована на одной молекуле, весьма важной для исследования атмосферы, и содержит оригинальные данные [1,5,6,11], что влечет за собой и другие отличия.

  1. Система содержит экспериментальные данные по ИК спектрам поглощения в широком диапазоне длин волн (700-6000см-1), полученные на Фурье-спектрометре в Реймском университете, и обладает возможностью сравнения экспериментального и расчетного спектров.

  2. Система содержит оригинальные расчетные данные, полученные путем решения обратных спектроскопических задач как на основе метода эффективных колебательно-вращательных гамильтонианов [1,5,6], так и с использованием методов глобального описания молекулы [11].

  3. Система, помимо представляемых в спектроскопических банках данных [4,8,9] параметров спектральных линий, содержит более фундаментальную информацию о физической природе взаимодействия излучения с молекулой (уровни колебательной и колебательно-вращательной энергии, волновые функции, поверхности потенциальной энергии и дипольного момента).

  4. База данных системы содержит информацию о коротковолновом поглощении молекулы озона (4100-6000 см-1), не представленную в других банках данных.

  5. В системе не реализован режим пакетных вычислений, так как в настоящее время в ней не существует приложений, требующих большого времени выполнения.



Система существует в виде двух зеркальных сайтов: в ИОА СО РАН (http://ozone.iao.ru) и в Реймском университете (http://ozone.univ-reims.fr). Проведение оригинальных расчетов и разработка системы частично финансировались РФФИ (грант 99-03-33201).

Архитектура систем и технологические аспекты реализации


По существу, описанные информационные системы представляют собой полнофункциональные программные комплексы для поиска информации в базах данных, ее обработки и отображения результатов. Их особенностью является то, что интерфейс пользователя строится на базе Интернет-технологий. Поэтому архитектура их в целом традиционна для программных систем подобного рода: они состоят из основной программы, построенной по модульному принципу, библиотек подпрограмм и базы данных. WWW - страницы генерируются динамически в зависимости от выбранного элемента меню.


База данных (БД) является важной составной частью систем, так как значительная часть решаемых задач связана с поиском информации в БД. База данных состоит из трех частей: предметной БД, справочной БД и БД административной информации и метаданных. Предметная БД содержит следующую информацию:

  • параметры спектральных линий по каждому из представленных в системе источников данных (HITRAN, GEISA, оригинальные данные);

  • спектральные полосы по каждому источнику данных;

  • описания содержащихся в системе молекул и их изотопических модификаций;

  • смеси молекул и изотопов, как стандартные, так и создаваемые пользователем;

  • статсуммы для каждой изотопической модификации, используемые для расчета спектров при различных температурах;

  • сечения поглощения отдельных молекул (АС);

  • экспериментальные спектры (S&MPO);

  • полиады, колебательные уровни, вращательно-колебательные структуры, волновые функции, резонансные группы, спектроскопические параметры, сравнительная статистика вычислений и эксперимента, функции потенциальной энергии и дипольного момента (S&MPO).

Справочная БД содержит библиографию по предметной области, архив ссылок на Интернет-ресурсы, глоссарий, тематический классификатор вышеперечисленных ресурсов. Административная БД содержит информацию о пользователях, настройки интерфейса пользователя, данные о сохраненных пользователем результатах (АС), активных задачах пользователей (АС). К метаданным относится описание меню, о чем будет сказано ниже, а также справочная информация о данных, хранимых в БД. База данных функционирует под управлением СУБД MySQL. Часть данных, для которых не требуется поиска по различным критериям, хранятся в файловой системе. Информация о функциях потенциальной энергии и дипольного момента в S&MPO хранится в виде аналитических выражений.


Библиотеки подпрограмм в системах разделены на два класса: библиотеки вычислительных модулей и сервисные библиотеки. Вычислительный модуль с точки зрения системы представляет собой преобразователь входного потока данных в выходной, управляемый параметрами. Вычислительные модули реализованы на языках C или Fortran. Сервисные библиотеки написаны на языке PHP (это язык, реализации системы) и включают в себя

  • библиотеку работы с базой данных отображения информации из БД и из текстовых файлов;

  • библиотеку подготовки управляющих файлов для отображения информации в графическом виде с помощью пакета GnuPlot.

  • библиотеку поддержки расчета и отображения спектров;

  • библиотеку вспомогательных функций;

  • библиотеки классов PHP (в настоящее время в виде классов оформлены пакет графики, выполняющий функции, не поддерживаемые пакетом GnuPlot, пакет, осуществляющий работу с меню ИС и пакет, работающий с библиографической БД; в дальнейшем предполагается расширить использование объектного подхода при реализации информационных систем).



Сайты выполнены по технологии документов HTML с вложенными (embedded) скриптами, причем главный документ (index.php) содержит один оператор включения стартового скрипта системы (main.php), находящегося, как и другие скрипты, в каталоге, отличном от корневого каталога сайта, что повышает степень защищенности системы. Сайт структурирован следующим образом.

  • Каталог htdocs является корневым каталогом сайта. Он содержит стартовый документ, обработчики форм, графические файлы, используемые при оформлении сайтов, а также подкаталоги, содержащие документы в гипертекстовом формате на языках, поддерживаемых системами (для каждого языка свой подкаталог). В таком виде оформляется справочная информация.

  • Каталог docs содержит скрипты, управляющие отображением информации на сайте. Структура и имена подкаталогов, а также имена файлов в подкаталогах повторяют структуру и имена вершин дерева меню (нетерминальных и терминальных соответственно).

  • В каталоге bin находятся выполняемые файлы программ, написанных на компилируемых языках программирования.

  • Каталог lib содержит сервисные библиотеки и библиотеки классов, написанные на PHP.

  • В каталоге data содержится часть БД, реализованная средствами файловой системы.


Файл main.php подключает общеупотребимые функции Javascript, таблицу стилей, файл конфигурации и словарь терминов на выбранном языке интерфейса пользователя, а также библиотеки сервисных функций общего назначения, отображает титул сайта, инициализирует и отображает меню и подключает скрипт, отображающий информацию активного элемента меню. Наборы функций Javascript и сервисные библиотеки, используемые локально, включаются в скрипты нижнего уровня. Управляющая информация передается в виде набора параметров в командной строке. Почти все генерируемые страницы отображения информации содержат формы, позволяющие варьировать параметры отображаемой информации.

Меню является классификатором информационных ресурсов, предоставляемых системой, и осуществляет функцию навигации по сайту. Меню реализовано в виде таблицы базы метаданных, поддерживающей иерархию. Таблица содержит следующие поля:


  • уникальный идентификатор элемента меню;

  • идентификатор элемента меню-родителя;

  • номер элемента меню в последовательности элементов данного уровня;

  • название элемента меню на всех поддерживаемых системой языках (отображается в меню);

  • описание действия осуществляемого элементом меню (отображается в подсказке, выводимой при наведении курсора на элемент меню и в заголовке страницы);

  • уровень прав пользователя, которому доступен данный элемент меню и все подуровни данного элемента;

  • типы информации, оформленной в виде гипертекста, существующие для данного элемента меню;

  • байт свойств элемента меню.



Построение дерева меню осуществляется через интерфейс администратора сайта. При построении меню в каталоге скриптов строится иерархия подкаталогов для нетерминальных вершин дерева и создаются файлы-заглушки для терминальных вершин, а также создаются аналогичные структуры для гипертекстовых документов, если соответствующие типы документов предусмотрены для данного элемента меню. Таким образом, при построении меню строится скелет сайта. Развитие этого подхода предполагается осуществлять путем описания в базе метаданных модулей, выполняющих определенные функции системы и шаблонов страниц для отображения информации, а также связей между терминальными вершинами дерева меню и модулям/шаблонами, что позволит повысить уровень формализации описания информационной системы и степень автоматизации построения скелета сайта.


Заключение




Представленные в докладе информационные системы являются представителями перспективного с точки зрения авторов направления развития информационных технологий в области научных приложений и существенно превосходят другие известные Интернет-коллекции в области молекулярной спектроскопии как по набору выразительных средств отображения информации, так и по функциональным возможностям.


Литература




  1. A.Barbe, S.Mikhailenko, J.J.Plateaux, Vl.G.Tyuterev, Analysis of the 2n1+n2+2n3 band of ozone, J.Mol.Spectrosc., 182, 333-341 (1997).

  2. R.R. Gamache, R.L. Hawkins, and L.S. Rothman, J.Mol.Spectrosc. 142, 205-219 (1990).

  3. Golovko, V.F., Nikitin, A.V., Chursin, A.A., and Tyuterev, Vl.G., Information System AIRSENTRY for Modeling Atmospheric Infra-Red Spectra and Radiation Transmission in the Atmosphere, ADBIS’95. Proc. The Second International Workshop, Vol. 2, Phasis Publishing House, Moscow, June 27-30, 12-14, 1995.

  4. Jacquinet-Husson N., Ariй E, Ballard J., Barbe A., Bjoraker G., Bonnet B., Brown L.R., Camy-Peyret C., Champion J.-P., Chйdin A., Chursin A., Clerbaux C., Duxbury G., Flaud J.-M., Fourriй N., Fayt A., Graner G., Gamache R., Goldman A., Golovko V., Guelachvilli G., Hartmann J.-M., Hilico J.C., Hillman J., Lefиvre G., Lellouch E., Mikhailenko S.N., Naumenko O.V., Nemtchinov V., Newnham D.A., Nikitin A., Orphal J., Perrin A., Reuter D.C., Rinsland C.P., Rosenmann L., Rothman L.S., Scott N.A., Selby J., Sinitsa L.N., Sirota J.M., Smith A.M., Smith K.M., Tyuterev Vl.G., Tipping R.H., Urban S., Varanasi P., and Weber, M., The 1997 spectroscopic GEISA databank, JQSRT, 62, 205-254, 1999.

  5. S.Mikhailenko, A.Barbe, Vl.G.Tyuterev, L.Regalia, J.J.Plateaux, Line positions and intensities of the n1+n2+3n3, n2+4n3, and 3n1+2n2 bands of ozone, J.Mol.Spectrosc., 180, 227-235 (1996).

  6. S.Mikhailenko, A.Barbe, J.J.Plateaux, Vl.G.Tyuterev, New analysis of 2n1+n2, n1+n2+n3, and n2+2n3 bands of ozone in the 2600-2900cm-1 region, J.Mol.Spectrosc., 196, 93-101 (1999).

  7. H. Partridge and D.W. Schwenke, The determination of an accurate isotope dependent potential energy surface for water from extensive ab initio calculations and experimental data J.Chem.Phys. 106, 4618-4639 (1997).

  8. H. M. Pickett, R. L. Poynter, E. A. Cohen, M. L. Delitsky, J. C. Pearson, and H. S. P. Muller, "Submillimeter, Millimeter, and Microwave Spectral Line Catalog," JQSRT, 60, 883-890 (1998).

  9. Rothman L.S., Rinsland C.P., Goldman A., Massie S.T., Edwards D.P., Flaud J.- M., Perrin A., Camy-Peyret C., Dana V., Mandin J.-Y., Schroeder J., McCann A., Gamache R.R., Wattson R.B., Yoshino K., Chance K.V., Jucks K.W., Brown L.R., Nemtchinov V., Varanasi P., The HITRAN molecular spectroscopic database and HAWKS (HITRAN Atmospheric WorKStation): 1996 edition, JQSRT, 60(5), 665-710, 1998.

  10. Tyuterev Vl.G., Babikov Yu.L.,Tashkun S.A., Perevalov V.I., Nikitin A., Champion J.-P., Wenger Ch., Pierre C., Pierre G., Hilico J.-C., and Loete M., T.D.S. spectroscopic databank for spherical tops: DOS version, JQSRT, 52(3/4), 459-479, 1994.

  11. Vl.G.Tyuterev, S.Tashkun, P.Jensen, A.Barbe, T.Cours, Determination of the effecive ground state potential energy function of ozone from high-resolution infrared spectra, J.Mol.Spectrosc., 198, 57-76 (1999).

  12. Бабиков Ю.Л., Головко В.Ф., Гордов Е.П., Родимова О.Б., Фазлиев А.З. Коллекция электронных научных ресурсов Института оптики атмосферы СО РАН. Вторая Всероссийская научная конференция “Электронные библиотеки: перспективные методы и технологии, электронные коллекции”. Сборник докладов. Протвино 2000. с.27-31.

Похожие:

Характеристика предметной области icon1. 1 Технико-экономическая характеристика предметной области и предприя
Технико-экономическая характеристика предметной области и предприятия. Анализ деятельности ООО «фгуп вэи»
Характеристика предметной области iconВ основе проектирования ис лежит моделирование предметной области. Для того чтобы получить адекватный предметной области проект ис в виде системы правильно
При этом под моделью предметной области понимается некоторая система, имитирующая структуру или функционирование исследуемой предметной...
Характеристика предметной области iconУчебное пособие Москва 2011 Оглавление Введение 4 Глава Аналитическая часть 6 > Технико-экономическая характеристика предметной области и предприятия. Анализ деятельности «как есть»
Технико-экономическая характеристика предметной области и предприятия. Анализ деятельности «как есть» 6
Характеристика предметной области iconТехнико-экономическая характеристика предметной области и предприятия. Анализ деятельности
Характеристика комплекса задач, задачи и обоснование необходимости автоматизации
Характеристика предметной области icon1 Технико-экономическая характеристика предметной области и предприятия. Анализ деятельности «как есть»
Характеристика комплекса задач, задачи и обоснование необходимости автоматизации
Характеристика предметной области icon1 Технико-экономическая характеристика предметной области и предприятия. Анализ деятельности «как есть»
Характеристика комплекса задач, задачи и обоснование необходимости автоматизации
Характеристика предметной области iconЛекция: Методологии моделирования предметной области: Методологии моделирования предметной области. Структурная модель предметной области.
Организационная структура. Функционально-ориентированные и объектно-ориентированные методологии описания предметной области. Функциональная...
Характеристика предметной области iconЗаключение
Технико-экономическая характеристика предметной области и предприятия. Анализ деятельности «как есть»
Характеристика предметной области iconАналитическая часть
Технико-экономическая характеристика предметной области и предприятия. Анализ деятельности «как есть» 6
Характеристика предметной области iconТехнико-экономическая характеристика предметной области и предприятия. Анализ деятельности ООО росс
...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница