WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Зелепухина Виктория Андреевна

ОБРАБОТКА И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ДАННЫХ В ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРИЯХ УДАЛЕННОГО ДОСТУПА НА ОСНОВЕ МОДЕЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ПОДХОДА

Специальность: 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Астрахань – 2008

Работа выполнена в Астраханском государственном университете

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Тарасевич Юрий Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Фоменков Сергей Алексеевич

кандидат технических наук, доцент

Лаптев Валерий Викторович

Ведущая организация: Московский государственный университет печати

Защита состоится «11» декабря 2008 г. в 10 ч. на заседании диссертационного совета ДМ.212.009.03 при Астраханском государственном университете по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20а, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета.

Автореферат разослан «10» ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н. Щербинина О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время одной из перспективных форм организации и проведения совместных научных исследований и реализации дистанционного обучения является создание информационно-вычислительных веб-ресурсов и виртуальных лабораторий (ВЛ) удаленного доступа, т.к. Интернет занял прочные позиции в современном научном сообществе и является важным средством коммуникации, обмена научной информацией и публикации научных результатов.

Проблема разработки и использования удаленных ВЛ заключается в том, что техническая реализация ВЛ не позволяет одновременно предоставить пользователю мощь вычислительных систем и интерактивную высококачественную визуализацию с гибкими возможностями настройки и взаимодействия. Связано это с тем, что большинство из ВЛ создаются либо с использованием технологий на стороне сервера (специализированные математические пакеты), либо с использованием технологии клиента (Java-апплеты).

1. Специализированные математические пакеты имеют проблему интерпретации и визуализации результатов математического моделирования. Обрабатывая большие массивы данных при численном моделировании, генерация анимации в виде серии статичных растровых изображений становится бессмысленной вследствие существенного увеличения нагрузки на сеть и загрузки процессора конечного пользователя.

2. Java-технология, напротив, обладает мощными средствами разработки интерактивной графики и анимации, но, одновременно, не позволяет производить сложные математические расчеты, вследствие «бедного» встроенного математического аппарата.

В связи с этим необходимо решение, позволяющее отображать данные, являющееся результатом математического моделирования со стороны специализированных пакетов, в векторном формате, в том числе и анимацию, с возможностями интерактивного взаимодействия пользователя с изображением.

В Астраханском государственном университете ведется разработка информационно-компьютерных технологий нового поколения, которые обеспечивают эффективную разработку информационно-вычислительных систем, решают широкий комплекс проблем компьютерного анализа и моделирования сложных, в том числе, живых, систем и покрывают указанные выше недостатки.

Разработка технологий получила финансовую поддержку Российского фонда фундаментальных исследований (проект РФФИ № 07-07-00128-а), Фонда содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере (проект У.М.Н.И.К. «Интернет-ориентированная кроссплатформенная система визуализации данных для сопряжения со специализированными пакетами научного программного обеспечения и базами данных»).

Целью диссертационной работы является разработка и программная реализация комплекса моделей обработки и визуализации данных в среде Интернет при проведении компьютерного моделирования сложных динамических систем.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

  1. Провести анализ представленных в сети Интернет виртуальных лабораторий математического моделирования, выявить недостатки.
  2. Разработать концепцию разделения вычислительных и визуализационных процессов в системе «клиент-сервер».
  3. Разработать модель обмена и визуализации данных и модель представления результатов математического моделирования.
  4. Разработать модель обработки и представления структурированных данных, хранящихся в системах управления базами данных (СУБД).
  5. Создать программное обеспечение (ПО), реализующее предлагаемую концепцию, для проведения фундаментальных исследований в области математического моделирования.
  6. Провести апробацию концепции на примере распределенной системы для математического моделирования сложных систем.

Методологической и теоретической основой диссертационной работы явились исследования российских и зарубежных ученых в области интернет-технологий, математического и компьютерного моделирования, теории машинной графики, аналитической геометрии.

Методы исследования. В работе применялись общенаучные методы и приемы исследования: системный подход, сравнительный анализ, синтез, классификация и структуризация. Проведенные в работе исследования базируются на объектной модели данных и используют методы математического моделирования. Для решения поставленных задач применялись методы системного, модульного и объектно-ориентированного программирования, а также средства UML-моделирования.

Научная новизна работы. Соискателем получены и вынесены на защиту следующие основные положения:

  1. Разработан комплекс моделей для обработки и визуализации данных, включающий: модель вариантов использования, модель обмена и визуализации, модель обработки и представления структурированных данных, хранящихся в СУБД, модель представления результатов математического моделирования, модель классов, интерфейсов, сценариев.
  1. Разработан файловый формат для хранения и распространения в сети Интернет результатов математического моделирования, основанный на предложенной модели.
  2. Разработан алгоритм автоматической генерации визуализации на основе модели представления результатов математического моделирования.
  3. Разработан алгоритм автоматической генерации веб-интерфейса, содержащего параметры математической модели (ММ).
  4. Разработан алгоритм автоматической генерации веб-интерфейса и SQL-запросов на основе модели представления данных, хранящихся в СУБД.

Практическая значимость исследования

  1. Предложенная модель визуализации расчетов, выполненных специализированными математическим пакетами, более эффективна по сравнению со стандартными подходами и существенно сокращает временные задержки при моделировании в режиме «клиент-сервер», так как объем пересылаемой информации сократился на порядок, что позволило существенно снизить нагрузку на сеть.
  2. Автоматизированная интеграция вычислительных систем с виртуальными лабораториями является трудно реализуемой задачей с использованием стандартных средств разработки. В работе предложено более эффективное решение, имеющее практическую реализацию.
  3. Использованные в исследовании технологии и методы визуализации способствуют повышению эффективности применения математических моделей, созданных средствами стандартных математических пакетов, в среде Интернет при ограничениях, обусловленных её особенностями.
  4. Разработанные модели и ПО на их основе предоставляют возможности по ускорению информационных потоков путем значительного уменьшения количества необходимой для передачи информации. При этом уменьшается время ожидания загрузки веб-страниц без увеличения пропускной способности каналов связи.
  5. Разработан программный комплекс в виде Интернет-ориентированной кроссплатформенной системы визуализации данных для сопряжения со специализированными математическими пакетами VS-Sci. Программный комплекс внедрен и активно используется в Астраханском государственном университете.
  6. Разработан программный комплекс в виде автоматизированной системы управления содержимым Интернет-ресурсов CMSLaps. Программный комплекс применяется при решении научно-образовательных и промышленных задач.

Публикации. Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 15 печатных работах, в том числе в 3 журналах, рекомендованных ВАК.

Разработанное программное обеспечение зарегистрировано в Отраслевом фонде алгоритмов и программ (ОФАП), получены свидетельства о государственной регистрации в Роспатенте.

Апробация диссертации. Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы опубликованы в материалах V Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2004» (Санкт–Петербург), итоговой научной конференции АГУ «Физика. Математика. Информатика» (Астрахань, 2004), XIII международной конференции «Математика. Экономика. Образование» (Ростов н/Д, 2005), Международной научно-практической конференции (студентов и молодых ученых) «Электронный университет как условие устойчивого развития региона» (Астрахань, 2005), Международной научно-практической конференции «Информатизация образования – 2005» (Елец), Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в образовании и науке» (Москва, 2006), Международной научной конференции, посвященной памяти профессора А.М. Богомолова «Компьютерные науки и информационные технологии» (Саратов, 2007), IX Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2008» (Санкт–Петербург), «Телематика – 2008» (Санкт-Петербург), а также представлены на выставке «Московский салон инноваций и инвестиций» (Москва, ВВЦ, 2006-2007 гг.).

Разработанные модели, технологии, алгоритмы и инструменты внедрены в производство программных продуктов в 2006-2008 гг.:

  1. Сайт совместной лаборатории Института математических проблем биологии Российской академии наук и Астраханского государственного университета «Математическое моделирование и информационные технологии в науке и образовании» (http://mathmod.aspu.ru).
  2. Портал русского языка «ЯРУС» (http://yarus.aspu.ru).
  3. Интернет-мониторинг мероприятий, проводимых к празднованию 450-летия г. Астрахани (http://450.aspu.ru).
  4. Агропромышленный портал Астраханской области (http://agro-portal.aspu.ru).
  5. Официальный сайт Астраханского государственного университета (http://aspu.ru).

Личный вклад автора. Все исследования, изложенные в диссертационной работе, проведены лично соискателем в процессе научной деятельности. Все результаты, выносимые на защиту, получены автором лично.

Из совместных публикаций включен лишь тот материал, который непосредственно принадлежит соискателю, заимствованный материал обозначен в работе ссылками.

Структура диссертации обусловлена целью исследования, определена логикой рассмотрения взаимосвязанных вопросов и совокупностью решаемых задач. Диссертация изложена на 166 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Список литературы содержит 63 наименования. Работа иллюстрирована 38 рисунками и содержит 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, сформулированы цели работы, задачи и методы исследования, научная новизна, практическая значимость.

В главе 1 проведен анализ существующих ВЛ удаленного доступа и средств их разработки. Определены требования к ВЛ. Описана предлагаемая концепция сопряжения вычислений со стороны математических пакетов с визуализацией на стороне клиента.

Существующим ВЛ в той или иной мере присущи следующие недостатки: длительная загрузка, отсутствие возможности пользовательского взаимодействия с визуализацией, использование неэффективных численных методов для решения задач, ВЛ спроектированы на уровне абстракций конкретного языка программирования, а не на уровне объектов конкретной предметной области.

Прослеживаются две взаимодополняемые тенденции создания ВЛ для среды Интернет: с использованием веб-сервисов популярных математических пакетов и с использованием Java-технологии.

Таблица 1

Сравнение функциональных возможностей веб-сервисов специализированных математических пакетов и Java-технологии при решении научных задач

Веб-сервисы математических пакетов (MATLAB Web Server, MapleNet, Mathcad Application Server, webMathematica)

Клиентские технологии (Java)

Обладают эффективной, надежной и проверенной библиотекой численных методов.

Обеспечивают стандартные методы решения разнообразных систем (обыкновенные дифференциальные уравнения, дифференциальные уравнения в частных производных, в том числе системы типа «реакция-диффузия», уравнения с запаздыванием и т.д.)

При решении сложных систем приходится либо разрабатывать библиотеки численных методов самостоятельно, либо прибегать к авторским средствам сторонних разработчиков.

Результаты моделирования выдаются в виде растровых изображений.

Мощные средства разработки интерактивных апплетов, с возможностью анимации.

Для создания ВЛ, лишенных указанных недостатков, определены следующие требования:

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»