Отчет ИВМ СО РАН за 2007 год

Программы фундаментальных исследований Сибирского отделения РАН

• Математика, информатика
• Проект № 1.3.2.1 «Реализация сложных математических моделей на высоко-производительных ЭВМ»
• Проект № 1.4.1.5 «Разработка математических моделей и вычислительных алгоритмов для решения сложных физических задач»
• Проект № 4.3.1.4 «Гибридные информационно-аналитические методы, системы и технологии»
• Проект № 4.5.2.9 «Геоинформационный Интернет-портал для задач мониторинга состояния природной среды и ресурсов в показателях устойчивого развития»
• Механика, энергетика

Математика, информатика

Направление 1.3 «Вычислительная математика, параллельные и распределенные вычисления»

Программа 1.3.2 «Параллельные и распределенные вычисления в задачах математического моделирования»

Координатор программы: чл.-корр. РАН В. В. Шайдуров

Научный руководитель проекта: д.ф.-м.н., проф. В. М. Садовский

C помощью разработанного ранее комплекса прикладных программ для параллельных вычислений в пространственной постановке проведены расчеты распространения упругих волн напряжений в массиве с жестким включением, вызванных действием сосредоточенной импульсной нагрузки на поверхности массива (рис. 10). На сейсмограммах обнаружены все основные типы волн (падающие, отраженные и головные продольные и поперечные волны, в том числе волны, отраженные от угла включения), которые прогнозируются в рамках геометрической оптики. Расчеты выполнены на кластере МВС-15000 Межведомственного суперкомпьютерного центра (МСЦ, г. Москва). Проведены аналогичные расчеты для двухслойного массива «плотный грунт — твердая порода» с криволинейной поверхностью раздела типа параболического гиперболоида.

Рис. 10. Схема нагружения, схема распределения расчетной области между вычислительными узлами и сейсмограмма отраженных волн в пространственной задаче о распространении упругих волн в массиве с включением (результаты расчетов на 68 процессорах)

На основе обобщенного реологического метода, учитывающего различное сопротивление материала растяжению и сжатию, с применением принципов необратимой термодинамики построена математическая модель для описания развитого течения сыпучей среды при наличии застойных зон квазистатического деформирования в движущемся потоке. Определяющие соотношения модели на феноменологическом уровне учитывают упругие свойства частиц, характерные для уплотненной сыпучей среды, и вязкие свойства, проявляющиеся при разрыхлении.

Разработана универсальная система хранения входной информации для модели развитых течений, позволяющая задавать область решения, начальные данные, строить расчетные сетки и распределять нагрузку между вычислительными узлами кластера. Система реализована на алгоритмическом языке Fortran-90 средствами библиотеки обмена сообщениями MPI. Универсальность (независимость от размерности расчетной сетки и от количества используемых процессоров) достигнута за счет специальной технологии упаковки данных в одномерные массивы, индивидуальные для каждого из узлов. Для тестирования разрабатываемого комплекса программ параллельных вычислений получены точные решения с застойными зонами, описывающие вращательное движение Куэтта между коаксиальными цилиндрами, медленное неустановившееся сползание слоя сыпучей среды по наклонной плоскости и стационарное сдвиговое течение приповерхностного слоя (В. М. Садовский, О. В. Садовская).

Построена модель движения гранулированной среды в сосудах лоткового и роторного типов, совершающих круговые гармонические колебания. В модели учитывается нелинейное трение. Численное решение задачи Коши для полученной жесткой системы обыкновенных дифференциальных уравнений реализовано с привлечением специальных методов высокой точности. Алгоритм, реализованный в виде комплекса программ на языке DELPHI, позволяет моделировать истечение семян из семяводов плоского или цилиндрического высевающего устройства. Распараллеливание алгоритма с последующим его применением к расчету большого числа гранул планируется выполнить на предстоящих этапах работы по проекту (И. О. Богульский).

Разработана и исследована модель эволюции внутреннего строения Земли в рамках модели вязкого сжимаемого газа, когда плотность, температура, давление и динамический коэффициент вязкости меняются в соответствии с физическими параметрами внутреннего строения земного шара. Впервые для описания геодинамических процессов использованы полные уравнения Навье-Стокса, определяющие законы сохранения массы, импульса и энергии с учетом тепловых и диссипативных потерь под действием гравитационных сил.

Для сферически-симметричного случая построена дискретная модель, сохраняющая балансовые равенства в конечном объеме. На основе метода конечных элементов получена консервативная вариационно-разностная схема первого порядка аппроксимации. Рассмотрены различные варианты прямых и итерационных методов решения квазилинейных сеточных уравнений. К решению полученных больших систем линейных алгебраических уравнений специального вида с трехдиагональной матрицей применен метод немонотонной прогонки, который отличается высокой вычислительной устойчивостью (В. В. Шайдуров, Г. И. Щепановская, А. В. Вяткин).

В рамках теории мелкой воды построена математическая модель поверхностных волн в больших акваториях, учитывающая сферичность формы Земли, влияние донного трения и Кориолисова ускорения. В предположении малости числа Россби, равного отношению силы инерции к силе Кориолиса, произведена линеаризация уравнений. Прямая задача рассмотрена в области произвольной формы на сфере с достаточно гладкой границей, состоящей из «твердых» участков — береговой линии, на которой ставится условие непротекания, и «жидких» участков — границы по морю, граничные условия на которой содержат заранее неизвестную функцию возвышения свободной поверхности.

К решению задачи с усвоением данных наблюдений, состоящей в минимизации нормы невязки между искомым возвышением «жидкой» границы и наблюденным, применены методы оптимизации и теории управления. Разработан численный алгоритм итерационного уточнения граничной функции, включающий этапы решения прямой и сопряженной задач на основе конечноэлементной аппроксимации модели. Выполнены тестовые расчеты для модельных областей и для акваторий Охотского моря и Мирового океана (рис. 11), демонстрирующие работоспособность алгоритма восстановления граничной функции в случае, когда данные наблюдений заданы на всей границе (Е. Д. Карепова, Л. П. Каменщиков).

Рис. 11. Графики заданной и восстановленной с помощью разработанного алгоритма функций на границах Мирового океана

На основе энергетических представлений об очаговой области предложен подход для количественного описания динамики сейсмического процесса в период подготовки сильного землетрясения. Модель основана на анализе пространственно-временной последовательности сейсмических событий в выделенной очаговой области. Критерием для такого выделения служат известные признаки, характеризующие общий повышенный фон значений ряда предвестников, которые регистрируются на основе организованной в исследуемой области системы сейсмического мониторинга. Рассматривается сейсмический процесс в координатах «магнитуда-время», что позволяет анализировать во времени изменение формы «энергетического сигнала» от потока изучаемых сейсмических событий, рассматривая их как некоторый аналог сейсмограммы.

Предлагаемый подход, который связан с обработкой исключительно больших объемов информации и в перспективе будет реализован на высокопроизводительных многопроцессорных вычислительных системах, применялся к изучению индикаторных сейсмических событий в районе Центральных Курил, где в конце 2006 г. и в начале 2007 г. произошли два сильнейших землетрясения в этом столетии. Результаты исследования подтвердили перспективность методики для анализа данных землетрясений с магнитудой выше 6.0 баллов (К. В. Симонов).

Разработана программа «RStable» для исследования областей устойчивости численных методов решения жестких систем обыкновенных дифференциальных уравнений и создан адаптивный алгоритм на основе явных методов и неявного метода Радао с автоматическим выбором численной схемы. Получено неравенство для контроля устойчивости явного двухстадийного метода типа Рунге-Кутта. На основе стадий данной схемы построены методы первого и второго порядка точности. Разработан алгоритм переменного порядка и шага, в котором наиболее эффективная численная схема выбирается из критерия устойчивости. Выполнены расчеты, подтверждающие повышение эффективности за счет дополнительного контроля устойчивости и переменного порядка точности.

Для численного решения автономных аддитивных жестких систем построены L-устойчивые методы третьего порядка точности с L-устойчивыми внутренними схемами относительно жесткой части системы. Получены оценки ошибки. Построены неравенства для контроля устойчивости нежесткой части схемы. Проведены тестовые расчеты, подтверждающие повышение эффективности за счет диагональной аппроксимации матрицы Якоби. Разработанные алгоритмы могут применяться как в однопроцессорном, так и в многопроцессорном вариантах при проектировании радиоэлектронных схем, моделировании кинетики химических реакций, расчете динамики механических систем (Е. А. Новиков).

Предложена модель символьных вычислений, основанная на поэтапном статичном хранении информации и преобразовании ее в завершающей стадии метода. Для повышения скорости выполнения гарантированных методов разработан параллельный алгоритм обработки поддеревьев с однотипными операциями, исследованы его свойства. Реализован алгоритм, по которому оптимальное дерево строится по схеме сдваивания, применяемой к набору вершин (А. Н. Рогалев).

Основные публикации:

1. Садовская О. В., Садовский В. М.
   К теории конечных деформаций сыпучей среды // Прикладная математика и механика. — 2007. — Т. 71. — Вып. 1. — С. 102–121.

2. Sadovskaya O. V., Sadovsky V. M.
   Numerical analysis of elastic waves propagation in Cosserat continuum // Proc. 8th Int. Conf. on Mathematical and Numerical Aspects of Waves «Waves 2007». — University of Reading (Great Britain), INRIA (France). — 2007. — P. 327–329.

3. Ушакова О. А., Шайдуров В. В., Щепановская Г. И.
   Метод конечных элементов для уравнений Навье-Стокса в сферической системе координат // Открытое образование (Приложение). — Красноярск: ООО «Экспресс-Офсет». — 2006. — С. 201–206.

4. Lavrentiev M. M., Simonov K. V., Sibgatulin V. G., Peretokin S. A.
   Energy structure of seismic zones processes // Workshop on Tsunami. Yokohama: Keio University COE, Japan. — 2007. — P. 125–128.

5. Кнауб Л. В., Лаевский Ю. М., Новиков Е. А.
   Алгоритм интегрирования переменного порядка и шага на основе явного двухстадийного метода Рунге-Кутты // СибЖВМ. — 2007. — Т. 10. — № 2. — С. 177–185.

(Отделы вычислительной математики, вычислительных моделей в гидрофизике, вычислительной механики деформируемых сред)

Направление 1.4 «Математическое моделирование в науке и технике»

Программа 1.4.1 «Математическое моделирование сложных природных и технических систем»

Координатор программы: чл.-корр. РАН Б. Г. Михайленко

Научный руководитель проекта: чл.-корр. РАН. В. В. Шайдуров

Блок 1: Математическое моделирование крупномасштабных магнитогидродинамических процессов, обеспечивающих формирование хвоста магнитосферы Земли.

Установлен и изучен новый вид магнитогидродинамической неустойчивости и волны в токовом слое хвоста магнитосферы Земли. Эти волны и неустойчивости связаны с существованием градиентов тангенциальной и нормальной (по отношению к токовому слою) компонент магнитного поля. Токовый слой может быть устойчивым или неустойчивым в зависимости от знака произведения этих градиентов. На рис. 12 показаны устойчивая (а) и неустойчивая (b) конфигурации магнитных силовых линий магнитосферного хвоста Земли при положительном и отрицательном значениях градиента нормальной компоненты магнитного поля B_z. При малом смещении z магнитной силовой трубки из положения равновесия возникает сила F, возвращающая трубку к равновесию в случае (а) и удаляющая ее от равновесия в случае (б). Волны в области устойчивости распространяются перпендикулярно плоскостям магнитных силовых линий. Они могут быть интерпретированы как «флэпинг» волны, наблюдаемые в хвосте магнитосферы. Групповая скорость этих волн составляет несколько десятков километров в секунду, что хорошо соответствует результатам наблюдений в токовом слое хвоста магнитосферы Земли.

Рис. 12. Устойчивая (а) и неустойчивая (b) конфигурации магнитных силовых линий магнитосферного хвоста Земли при положительном и отрицательном значениях градиента нормальной компоненты магнитного поля B_z

Модель магнитной струны обобщена для конфигурации магнитного поля в хвосте магнитосферы. Модель основана на предположении о заданном распределении полного давления (суммы магнитного и газового давлений) вдоль токового слоя магнитосферного хвоста. Выполнены расчеты движения ускоренной магнитной трубки вдоль токового слоя по направлению к Земле (Н. В. Еркаев).

Блок 3: Вычислительное моделирование биофизических процессов в водных экосистемах.

3.1. Для сравнительного анализа взяты водные объекты с различным содержанием минерального взвешенного вещества (М) и различным общим содержанием органического вещества (ТОС), поступившего в воду в растворенном виде. Показано, что относительное содержание коллоидной и адсорбированной фракций ТОС, составляющих основу органо-минерального детрита (ОМД), возрастает при увеличении отношения М/ТОС. Общее дыхание бактерий практически не зависит от отношения М/ТОС, в то же время дыхание в пересчете на клетку падает с увеличением отношения М/ТОС. Это свидетельствует о том, с увеличением содержания ОМД бактериопланктону представляется возможность уменьшить потребление субстрата на катаболические реакции, не связанные с прямым построением биомассы клеток. Коэффициент энергетического обмена (эффективность роста) бактерий также возрастает, в том числе и за счет увеличения потребления субстрата на анаболические реакции. Это отражается в увеличении удельной продуктивности бактериопланктона (Р_б/В_б, сут.^-1). По усредненным величинам увеличение удельной продукции аппроксимируется логарифмической зависимостью Р_б/В_б = 0,12 Ln(М/ТОС) + 0,37. Высокая активность бактерий влияет и на продукционные характеристики фитопланктона (рис. 14).

Рис. 14. Зависимость удельной первичной продукции от удельной бактериальной продукции

Таким образом, показано прямое влияние комплекса минеральной взвеси (ОМД) на продукционные характеристики бактериопланктона и фитопланктона.

3.2. В экспериментальных исследованиях на оз. Байкал выявлена закономерность суточных изменений концентрации СО₂ и фотосинтетических процессов в поверхностном слое воды. Применение метода флуоресцентного анализа позволило осуществить оценку связи интенсивности фотосинтеза с процессами газообмена. Оценка интенсивности протекания фотосинтеза проводилась с помощью коэффициента фотосинтетической активности (КФА). На рис. 15 приведен фрагмент ряда синхронных измерений концентрации углекислого газа и коэффициента фотосинтетической активности для поверхностного слоя воды оз. Байкал. Суточный ход концентрации СО₂ и КФА проявляется отчетливо, причем обе характеристики изменяются практически софазно. Как следствие, уменьшение концентрации углекислого газа в воде в светлое время суток приводит к его диффузии в воду из атмосферы.

Рис. 15. Результаты измерения концентрации СО₂ и КФА в течение недели наблюдения

На следующем этапе выявлялась закономерность изменения суточного хода концентрации углекислого газа в поверхностном слое в различные сезоны года (кроме периода ледостава). Было выявлено, что в разные (безлёдные) сезоны года основным ритмом изменчивости СО₂ является суточный цикл. В зависимости от времени года характерные черты этого ритма схожи, меняется только его амплитуда.

Блок 4: Разработка математических моделей управления движением микрочастиц лазерными полями сложной пространственно-временной структуры.

Построена математическая модель однородной электрон-ионной ультрахолодной плазмы в слабых лазерном и СВЧ полях, учитывающая процессы СВЧ-нагрева электронов, лазерного охлаждения плазменных ионов (с квантовым переходом резонансным оптическому излучению), нагрева ионов как за счет квантовых флуктуаций радиационной силы, так и за счет столкновительного энергообмена с электронами. На основании этой модели предсказано существование глобального максимума параметра неидеальности

Г-ионной компоненты плазмы. Рис. 16 (на примере магниевой плазмы) иллюстрируют типичную зависимость Г от управляющих параметров и существование верхнего предела Г_imax.

Проведены конкретные вычисления верхнего предела неидеальности для ультрахолодных лазерных плазм с ионами Be, Mg, Ca, Sr и Ba, которые показали принципиальную возможность достижения критических значений Г ≈ 170, выше которого ионная компонента плазмы должна переходить в кристаллическое состояние, рис. 17.

На основании ранее построенной диффузионной модели, учитывающей так называемые диссипативные оптические пробки (индуцируемые выпрямленными радиационными силами), для плазмы с резонансными ионами исследованы возможности их использования для решения проблемы долговременного удержания ультрахолодной лазерной плазмы. Проведенные вычисления показали, что эффект удержания ультрахолодной плазмы такими оптическими пробками в течении времени ~ 2 мин. может достигаться при интенсивностях лазерного света, не превышающих нескольких Dm/см².

Рис. 16. Зависимость параметра неидеальности Г от управляющих параметров в магниевой плазме: n — плотность заряженных частиц, β — безразмерная отстройка частоты лазерного поля от оптического резонанса при T_e = 100 K

Рис. 17. Зависимость верхнего предела параметра неидеальности Г_imax для ультрахолодной лазерной плазмы с ионами различных элементов от безразмерной напряженности лазерного поля α. Горизонтальная линия — критическое значение Г_i = 170

Построена двухжидкостная гидродинамическая модель неидеальной плазмы в диссипативной оптической сверхрешетке с поглощающими границами. Показано, что такая сверхрешетка может быть порождена совместным селективным действием на плазменные ионы выпрямленных сил резонансного светового давления (диссипативной запаздывающей градиентной силы и потенциальной выпрямленной градиентной силы) в сильном неоднородном поле бихроматической стоячей электромагнитной волны. Показано, что исходная математическая модель может быть редуцирована к уравнению Смолуховского (теории броуновского движения) с периодическими коэффициентами и нулевыми граничными условиями для плотности заряженных частиц. Его решение позволяет определять время удержания ультрахолодной плазмы в диссипативной оптической сверхрешетке. Предварительные расчеты показывают, что оно на несколько порядков превышает время свободного разлета ультрахолодной плазмы.

Основные публикации.

К блоку 1:

1. Langmayr D., Erkaev N. V. and Biernat H. K.
   Effectivity of the modified two stream instability operating in the vicinity of Venus // Planetary and Space Science. — 2007. — Vol. 55. — № 12. — P. 1804–1810.

2. Denisenko V. V., Biernat H. K., Zamay S. S.
   Modification of conductance due to the acceleration of the ionospheric medium // Proc. IV Int. Conf. «Solar-Terrestrial bonds and earthquake precursors». — Petropavlovsk-Kamchatsky. — 2007. — P. 281–286.

3. Amerstorfer U. V., Erkaev N. V., Langmayr D., Biernat H. K.
   On Kelvin-Helmholtz instability due to the solar wind interaction with unmagnetized planets // Planetary and Space Science. 2007. Vol. 55. — № 12. P. 1811–1816.

К блоку 2:

1. Бакиров М. Т., Горностаев А. И., Макуха А. В.
   Методы стабилизации температуры термостабилизированных платформ // Материалы всерос. науч.-техн. конф. «Навигационные спутниковые системы, их роль и значение в жизни современного человека». — Железногорск. — 2007. — С. 120–123.

2. Васильев Е. Н., Касьянов А. О., Чеботарев В. Е.
   Математическая модель процессов теплообмена в термостатированной сотовой панели // Материалы всерос. науч.-техн. конф. «Навигационные спутниковые системы, их роль и значение в жизни современного человека». — Железногорск. — 2007. — С. 124–126.

3. Васильев Е. Н., Дектерев А. А.
   Моделирование процессов тепло-массообмена в пористой структуре капиллярного насоса // Материалы XI Междунар. науч. конф. «Решетневские чтения». — Красноярск. — 2007. — С. 34-35.

К блоку 3:

1. Апонасенко А. Д.
   Оценка содержания и квантового выхода флуоресцирующих фракций растворенного органического вещества // Оптика атмосферы и океана. — 2007. — Т. 20. — № 2. — С. 127–131.

2. Щур Л. А., Апонасенко А. Д., Лопатин В. Н., Макарская Г. В.
   Соотношение между бактерио- и фитопланктоном в водоемах разного типа // Материалы III Междунар. науч. конф. «Озерные экосистемы: биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды». — Минск. — 2007. — С. 38-39.

3. Заворуев В. В., Панченко М. В., Домышева В. М., Сакирко М. В., Белых О. И., Поповская Г. И.
   Суточный ход газообмена СО2 и интенсивности фотосинтеза в поверхностной воде оз. Байкал // Докл. РАН. — 2007. — Т. 413. — №3. — 403–407.

К блоку 4:

1. Краснов И. В.
   Бихроматическая магнитооптическая ловушка для ультрахолодной плазмы // Изв. вузов. Физика. — 2007. — № 5. — С. 25-30.

2. Krasnov I. V.
   Bichromatic magnetooptical trap for ultracold plasma // Russian Phys. Journ. — 2007. — Vol. 50. — P. 435–443.

(Отделы вычислительной математики, вычислительной физики)

Направление 4.3 «Системы автоматизации, GALS-технологии, математические модели и методы исследования сложных управляющих систем и процессов»

Программа 4.3.1 «Информационные и вычислительные технологии в задачах поддержки принятия решений»

Координатор программы: ак. РАН Ю. И. Шокин

Научный руководитель проекта: д.ф.-м.н., проф. Л. Ф. Ноженкова

1. Теоретические основы метода топологических грамматик.

Получили дальнейшее развитие методы визуализации многомерных данных — метод упругих карт и метод топологических грамматик (рис. 18).

Рис. 18. Визуализация генетических микрочипов для здоровых органов человека: а) методом упругих карт (нелинейный метод главных компонент); b) стандартным методом главных компонент; с) методом топологических грамматик (первая разветвленная главная компонента)

Очевидно, что метод упругих карт дает более структурированную картину, чем стандартный метод. Адекватность полученной картины подтверждается дополнительным анализом матрицы парных расстояний. (д.ф.-м.н. А. Н. Горбань, к.ф.-м.н. А. Ю. Зиновьев)

2. Гибридные методы восстановления отсутствующих данных.

Разработаны методы восстановления отсутствующих данных в символьных последовательностях. А именно метод, использующий матричное представление частотного словаря, позволяющий получить все возможные заполнения, и субоптимальный метод, использующий генетические алгоритмы. Субоптимальный метод позволяет получить заполнение, удовлетворяющее принципу максимального подобия, и при этом требует гораздо меньше машинных ресурсов.

3. Новые технологии оперативной аналитической обработки данных.

Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для оперативного тематического геомоделирования в информационно-аналитических системах на основе интеграции функциональных элементов геоинформационной технологии с технологией оперативной аналитической обработки данных (OLAP). Разработаны алгоритмы динамического формирования картографических слоев на основе атрибутивной информации источника данных OLAP-системы и пространственной информации топографических слоев ГИС. Динамически сформированные слои могут применяться в качестве тематических слоев для геомоделирования результатов OLAP-анализа. Инструментарий динамического формирования картографический слоев впервые разработан для средств геомоделирования, интегрированных с OLAP-системами и экспертными системами (рис. 19).

Рис. 19. Оперативное геоинформационное моделирование: примеры применения методов формирования и визуализации картографических слоев

Предложена модель знаний для метаописания комплекса OLAP-моделей, позволяющая формировать описание каждой модели, отношений между OLAP-моделями, а также условий выполнения, коррекции, или выбора моделей в зависимости от многомерных показателей. Разработаны алгоритмы интеллектуального управления комплексом OLAP-моделей, позволяющие выполнять расчет аналитических показателей путем реализации логического вывода на знаниях, представляющих метаописание моделей.

Средства оперативного геомоделирования встроены в информационно-аналитические системы «Аналитик» и «СтатЭкспресс». Важнейшие прикладные задачи здравоохранения, решенные с применением средств геомоделирования системы «Аналитик»: анализ сети медицинских учреждений, планирование ее реорганизации, анализ зон медицинского обслуживания, формирование Территориальной программы бесплатной медицинской помощи.

Разработана экспертная геоинформационная система поддержки принятия решений при паводковых ЧС. Расширена база знаний системы включением новых моделей паводковых ЧС. Разработана информационно-аналитическая экспертная система поддержки принятия решений по противопожарным мероприятиям. Система производит оперативный анализ и расчет рисков.

4. Программные средства и технологии для картографического и информационного обеспечения региональных Интернет-ГИС.

Разработано методическое и информационное обеспечение для интеграции ГИС-платформы MapGuide Open Source с системой управления веб-контентом «1С-Битрикс: Управление сайтом». Интеграция упомянутых технологических платформ в единую систему выполнена на основе специально разработанного отдельного модуля Битрикс. В модуль вошли классы для работы с сервером MapGuide, различные функции получения, фильтрации данных и шаблоны визуализации каталогов карт, слоёв и другой картографической информации. Была усовершенствована и представлена в виде стандартной компоненты визуального редактора системы Битрикс программа для просмотра карт и картографических приложений. Компоненты каталогов были объединены с картографическими инструментами таким образом, что просмотр слоев, карт и включённых в карты слоев и их каталогов производился на одном экране без перезагрузки основной страницы. Был реализован конструктор карт на платформе PHP/AJAX, позволяющий составить свою собственную карту из каталога слоев, хранящегося на сервере.

Разработана модель каталога информационных ресурсов распределенного геоинформационного Интернет-портала (рис. 20), предусматривающая многопользовательский доступ с аутентификацией, многоуровневую систему разделения прав доступа. Каталог ресурсов содержит метаописания всех информационных ресурсов распределенного портала, расположенных как на локальном узле, так и на других узлах. Основной его функцией является организация поиска информационных ресурсов.

Рис. 20. Администрирование каталога информационных ресурсов геоинформационного Интернет-портала СО РАН

Продолжена разработка комплекса программ, позволяющего создавать карты и диаграммы, демонстрирующие сходство и различие в тенденциях изменения климатических параметров для территории Сибири, выявлять климатические параметры, наиболее сильно влияющие на биоценозы. Основное влияние было уделено анализу динамики экстремальных погодных явлений. Добавлены такие показатели, как средняя и максимальная скорость ветра, давление, видимость, частота появления тумана и т.п.

5. Теоретические основы синтеза и анализа гибридных систем распознавания образов, обеспечивающих комплексный учёт априорных сведений о виде решающих функций и информации неоднородных обучающих выборок малого объёма.

Разработаны методические и алгоритмические средства построения гибридных систем распознавания образов, позволяющие использовать информацию обучающих выборок и частичных априорных сведений о виде решающих функций на основе управляемого сочетания преимуществ параметрических и локальных аппроксимаций парзеновского типа. Их применение способствует решению проблемы преемственности результатов научных исследований.

Структура гибридных уравнений разделяющих поверхностей между классами в подобных системах формируется на основе параметрической её аппроксимации, восстанавливаемой с учётом априорных сведений, и корректирующей её функции непараметрического типа. Вид корректирующей функции и особенности исходной информации порождают семейство изучаемого класса систем. Показана возможность использования принципов гибридного моделирования в задачах распознавания образов в условиях неоднородных данных и обучающих выборок малого объёма. Установлены условия асимптотической сходимости и компетентности ряда гибридных решающих функций, что позволило разработать эффективную методику их оптимизации.

6. Технологии и системы создания распределенных информационных ресурсов и обеспечения безопасности в научно-образовательных сетях.

В отчётном году в библиотеке Института наряду с продолжающейся текущей работой пополнения электронных каталогов и баз данных были предприняты попытки преобразования распределённых информационных ресурсов в полнотекстовые. Для формирования полнотекстовых ресурсов использовались имеющиеся программные средства:

1. ИРБИС — полнотекстовые базы данных. Использовался для контент-анализа файлов полных текстов и создания на его основе поисковых словарей. Для повышения эффективности поиска требовалась последующая экспертная обработка словаря с целью исключения несущественных терминов.
2. Средства поддержки URL-ссылок сетевых протоколов Z39.50. Использовались для привязки файлов полных текстов к записям библиографических баз данных.

Выборочная привязка полных текстов произведена в следующих базах данных библиотеки ИВМ СО РАН:

1. Каталог авторефератов и диссертаций.
2. Каталог трудов сотрудников ИВМ СО РАН.
3. Каталог статей зарубежных журналов.

Формируется новая база данных поставщиков электронных ресурсов, содержащая все доступные по лицензионным соглашениям Интернет-ресурсы издательств.

Выполнено исследование наиболее часто встречаемых на практике угроз, приводящих к потере информации либо отказам функционирования сети в целом либо отдельных сервисов, путей их предотвращения и систематизация полученного опыта. Исследованы вопросы обеспечения управляемости сети и надежности таких Интернет-сервисов, как электронная почта, DNS, HTTP и прочие сервисы прикладного уровня. (Е. В. Ковязина, С. В. Исаев, А. В. Малышев, Д. Д. Кононов).

Основные публикации:

1. Gorban A., Zinovyev A.
   The Mystery of Two Straight Lines in Bacterial Genome Statistics // Bulletin of Math. Biol. — 2007. — Vol. 69. — P. 2429–2442.

2. Рубцов А. Г., Садовский М. Г., Сенашова М. Ю.
   Восстановление отсутствующих данных в символьных последовательностях // Сб. науч. тр. «Компьютерное моделирование и интеллектуальные системы». — Запорожье: ЗНТУ. — 2007. — C. 206–212.

3. Сенашова М. Ю.
   Оценки погрешностей вычисления сложной функции многих переменных и ее градиента // СибЖВМ. — 2007. — Т. 10. — № 1. — С. 78-87.

4. Евсюков А. А.
   Динамическое формирование тематических карт для поддержки территориального управления // Материалы X Всерос. науч.-практ. конф. «Проблемы информатизации региона». — Красноярск: ПИ СФУ. — 2007. — Т. 1. — С. 71-76.

5. Барышникова О. В., Ноженков А. И., Коробко А. В.
   Технологические и инструментальные средства автоматизации сбора и аналитической обработки данных в социальной сфере // Материалы X Всерос. науч.-практ. конф. «Проблемы информатизации региона». — Красноярск: ПИ СФУ. — 2007. — Т. 1. — С. 24-27.

6. Вайнштейн Ю. В., Ноженков А. И.
   Методы построения управляемых комплексов OLAP-моделей для задач здравоохранения // Материалы X Всерос. науч.-практ. конф. «Проблемы информатизации региона». — Красноярск: ПИ СФУ. — 2007. — Т. 1. — С. 28-34.

7. Евсюков А. А., Исаев С. В., Морозов Р. В., Ничепорчук В. В., Ноженкова Л. Ф.
   Интеграция технологий в системах поддержки принятия решений в условиях ЧС // Тр. II Всерос. конф. «Безопасность и живучесть технических систем». — Красноярск: ИВМ СО РАН. — 2007. — С. 44-48.

8. Кадочников А. А., Якубайлик О. Э.
   Программно-технологическое обеспечение информационной системы на основе банка пространственных данных // Тез. IX Всерос. конф. «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф». — Барнаул: Алтайский гос. ун-т. — 2007. — С. 43.

9. Попов В. Г.
   Расширение функциональности системы управления Интернет-порталом на примере Bitrix CMS // Материалы конф. молодых ученых ИВМ СО РАН. — Красноярск: ИВМ СО РАН. — 2006. — С. 82-84.

10. Токарев А. В.
    Модель каталога информационных ресурсов для распределенного геоинформационного интернет-портала // Материалы X Всерос. науч.-практ. конф. «Проблемы информатизации региона». — Красноярск: ПИ СФУ. — 2007. — Т. 1. — C. 182–187.

11. Якубайлик О. Э., Токарев А. В.
    Геоинформационный интернет-портал для задач мониторинга состояния природной среды и ресурсов // Тез. IX Всерос. конф. «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф». — Барнаул: Алтайский гос. ун-т. — 2007. — C. 123.

12. Якубайлик О. Э., Попов В. Г.
    Построение ГИС-портала на платформе Mapguide и 1С-Битрикс // Тез. IX Всерос. конф. «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф». — Барнаул: Алтайский гос. ун-т. — 2007. — С. 122.

13. Лапко А. В., Лапко В. А.
    Непараметрические системы обработки неоднородной информации. — Новосибирск: Наука, 2007. — 174 с. (197)

14. Лапко А. В., Лапко В. А.
    Гибридные алгоритмы распознавания образов и их асимптотические свойства // Докл. II Междунар. конф. «Проблемы управления и информатики». — Бишкек. — 2007. — Ч. 2. — С. 10-13.

15. Лапко А. В., Лапко В. А.
    Комбинированные системы распознавания образов // Докл. XIII Всерос. конф. «Математические методы распознавания образов». — М.: МАКСПРЕСС. — 2007. — С. 164–167.

16. Ковязина Е. В.
    Объединение информационных ресурсов: реализация и опыт эксплуатации // Материалы междунар. конф. «Библиотеки и информационные ресурсы в современном мире науки, культуры, образования и бизнеса». — Электрон. дан. — М.: ГПНТБ России, 2007. — 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). — Загл. с этикетки диска.- ISBN 978-5-85638–119-0. — Госрегистрация № 0320700790.

17. Исаев С. В. Малышев А. В.
    Проблемы обеспечения безопасности интернет-сервисов Корпоративной сети Красноярского научного центра СО РАН // Вестник ТГУ. (Приложение). — 2007. — № 23. — С. 174–179. (ISSN 1561–7793).

(Отделы моделирования неравновесных систем, прикладной информатики, средств телекоммуникаций и вычислительной техники)

Направление 4.5 «Проблемы создания глобальных и интегрированных информационно-телекоммуникационных систем и сетей. Развитие технологий GRID»

Программа 4.5.2 «Разработка научных основ распределенной информационно-аналитической системы на основе ГИС и Веб-технологий для междисциплинарных исследований»

Координатор программы: ак. РАН Ю. И. Шокин

Научный руководитель проекта: д.ф.-м.н., проф. Н. Я. Шапарев

Основные результаты работ связаны с исследованиями по следующим направлениям:

• формирование средств спутникового экологического мониторинга Сибири и Дальнего Востока на основе новых информационных и телекоммуникационных методов и технологий,
• создание информационно-технологического обеспечения геоинформационного Интернет-портала для задач мониторинга состояния природной среды и ресурсов в показателях устойчивого развития.

Эти исследования составили основу для реализации заявленной темы работ 2007-го года — «Создание распределенного геоинформационного хранилища данных спутникового экологического мониторинга и связанных с ним средств аналитической обработки геопространственных данных».

1. Создание распределенного геоинформационного хранилища данных.

Разработана информационная модель и архитектура распределенного геоинформационного хранилища данных, состоящего из нескольких серверов геопространственных данных. С технологической точки зрения спроектированное геоинформационное хранилище данных — это специально организованный геоинформационный Интернет-портал, в составе которого работают приложения, обслуживающие функционал двух типов: ГИС и Интернет (рис. 21). Используются адаптированная ГИС-платформа MapGuide Open Source и система управления веб-контентом «1С-Битрикс: Управление сайтом» со специализированными модулями расширения. Программно-технологическое обеспечение геоинформационного хранилища данных включает средства для доступа к геопространственным данным с помощью различных клиентов, средства администрирования самой системы и базы данных. Доступ к различным компонентам системы может осуществляться различными способами — прямое подключение к базе данных, веб-сервисы, веб-клиенты на основе стандартного веб-браузера.

Отдельные сервера распределенного хранилища связаны друг с другом через сеть Интернет. Функции этих серверов могут быть однотипными (например, для снижения нагрузки на всю систему), либо могут различаться: один сервер организует доступ к базе данных, другой обеспечивает доступ к хранилищу картографической информации, при этом в качестве хранилища такой информации могут выступать множество серверов, распределенных по сети Интернет.

Разработанная концепция распределенного хранилища предусматривает наличие сети однотипных узлов, между которыми осуществляется синхронизация метаданных каталога информационных ресурсов — важнейшей составной частью системы, собирающей распределенную информацию в единое целое и содержащую метаданные о всех информационных ресурсах, расположенных как на локальном узле, так и на других узлах.

Рис. 21. Структура геоинформационного Интернет-портала

Организация структуры каталога информационных ресурсов предполагает многосторонний подход в описании ресурса. В частности, можно выделить по меньшей мере три нижеследующих аспекта:

• территориальный классификатор. Информация привязана к географическому местоположению: субъект федерации, конкретный район или город, особо охраняемая природная территория (заповедник);
• классификатор природных ресурсов: лесные, земельные, водные, и т.п.
• классификатор по авторскому принципу — организация или конкретный исследователь, которые сформировали набор данных.

Система множественной классификации позволяет строить разноплановые запросы к данным в зависимости от ситуации.

2. Задачи спутникового экологического мониторинга.

Рассматривавшиеся задачи спутникового экологического мониторинга связаны, прежде всего, с актуализацией цифровых моделей природных территорий на основе космических снимков, их последующей обработкой, дешифрированием и интерпретацией, сопоставлением выявленных особенностей с данными экспедиционных исследований. В рамках этой работы была разработана технология актуализации векторных цифровых моделей с использованием обзорных изображений космических снимков и самих снимков, создано соответствующее программное обеспечение. Основные этапы технологии состоят в следующем. Сначала получают снимки с сервера с использованием специально разработанных веб-сервисов, причём каждый снимок фактически представлен двумя файлами — растровым изображением местности и сопутствующим этому изображению текстовым документом с описанием (привязкой) географических координат углов снимка. Затем с помощью программы MapInfo создаётся новый линейный слой, описывающий рамку снимка, в которой координаты вершин взяты из текстового документа, сопровождающего файл с изображением территории. Затем с помощью этой же программы полученная рамка преобразуется в нужную проекцию (в нашем случае: из исходной проекции WGS-84 в проекцию Pulkovo-42 зона 16). Далее исходный растровый снимок преобразуется таким образом, чтобы он полностью лежал в новой проекции, полученной с помощью преобразования рамки снимка на предыдущем этапе. Этот преобразованный растровый снимок экспортируется в формат ГИС конечного пользователя для дальнейшей географической привязки; в нашем случае такой ГИС является ArcView. Такое преобразование необходимо для создания единого растрового поля (подложки) с целью последующего обновления векторных данных.

На основе изложенного подхода было создано хранилище космических снимков 15-метрового разрешения на территорию Красноярского края, веб-сервисы и веб-интерфейсы для доступа к нему через стандартный браузер и специализированные приложения, работающие по протоколу HTTP.

С помощью перечисленных средств был решен ряд прикладных задач. В частности, рассматривалась задача оценки экологического состояния территории заповедника «Центральносибирский». По космическим снимкам осуществлялась привязка планов лесоустройства. Поскольку на бумажных источниках нет информации о географической координатной сетке, привязка осуществлялась методом аффинных преобразований. В качестве опорных точек были выбрана речная сеть, которая очень хорошо просматривается на космическом снимке (рис. 22).

Рис. 22. Результат привязки Комсинского лесничества по космическим снимкам Landsat 7

Актуализация векторной цифровой модели территории при помощи свободно доступных спутниковых данных позволила привязать данные о растительном покрове и выявить расхождение плана лесонасаждений Комсинского лесничества относительно границы заповедника.

3. Средства представления и аналитической обработки геопространственных данных.

Средства аналитической обработки для геоинформационного хранилища данных рассматривались в контексте развития функционального обеспечения информационной системы «Банк пространственных данных социально-экономического развития администрации Красноярского края» (БПД). БПД стал составной частью единой краевой информационно-аналитической системы администрации Красноярского края, сформированной в рамках краевой целевой программы «Информатизация Красноярского края на 2004–2006 годы». Основное назначение Банка пространственных данных (рис. 23):

• информационное обеспечение: поддержка общекраевых государственных информационных ресурсов и сервисов (картографическая основа, система адресации, и проч.), формирование единой легитимной унифицированной картографической основы для всех краевых информационных систем органов власти;
• информационно-аналитическая поддержка: предоставление средств оперативной обработки и представления территориально-ориентированных данных для задач органов государственной власти и местного самоуправления;
• типовое тиражируемое решение: развитие инфраструктуры пространственных данных края, последующее расширение системы на муниципальный уровень.

Рис. 23. Информационная система по населенным пунктам края на основе БПД

Средства представления и аналитической обработки геопространственных данных представлены в БПД рядом примеров, демонстрирующим возможности информационно-аналитических сервисов для решения задач:

• оптимизации размещения объектов социальной инфраструктуры (на примере данных о бюджетных сетях здравоохранения и образования);
• оценки ресурсной обеспеченности программ социально-экономического развития муниципальных районов и сельских поселений (на примере данных Территориального комплексного кадастра, предоставленных КНИИГиМС);
• сравнительной оценки экономического потенциала муниципальных районов (разработка экономистов Сибирского федерального университета «индекс развития экономики Красноярского края»);
• пространственного анализа использования земельно-имущественного комплекса (на примере г. Шарыпово);
• информационно-справочного обеспечения планирования телекоммуникационной инфраструктуры (на примере справочной системы по узлам спутниковой связи краевой информационно-аналитической системы управления образования и автоматизированной информационной системы управления бюджетным процессом).

Еще один конкретный пример решения комплексной задачи — «Информационная система оценки инфраструктуры жизнеобеспечения малочисленных, труднодоступных населенных пунктов Красноярского края». Она опирается на информационные ресурсы БПД и содержит справочные сведения, средства анализа и оценки состояния социальной и транспортной инфраструктуры, энергоресурсов, связи и возможностей использования санитарной авиации для решения проблем малочисленных, труднодоступных населенных пунктов.

Основные публикации:

1. Шапарев Н. Я.
   Природные ресурсы Красноярского края // Вестник РАН. — 2007. — Т. 77. — Вып. 4. — С. 291–300.

2. Kharuk V. I., Kasischke E. S. and Yakubailik O. E.
   The spatial and temporal distribution of fires on Sakhalin Island, Russia // Int. Journal of Wildland Fire. — 2007. — Vol. 16. — P. 556–562 [http://www.publish.csiro.au/nid/114/paper/WF05009.htm].

3. Якубайлик О. Э.
   Геоинформационный Интернет-портал // Вычислительные технологии. — 2007. — (Cпец. выпуск) (в печати).

4. Кадочников А. А., Якубайлик О. Э.
   Программно-технологическое обеспечение информационной системы на основе банка пространственных данных // Тез. IX Всерос. конф. «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф». — Барнаул: Алтайский гос. ун-т. — 2007. — С. 43.

5. Якубайлик О. Э., Токарев А. В.
   Геоинформационный Интернет-портал для задач мониторинга состояния природной среды и ресурсов // Тез. IX Всерос. конф. «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф». — Барнаул: Алтайский гос. ун-т. — 2007. — С. 123.

(Отдел вычислительной физики)