Введение к работе
Актуальность темы.
Широкое практическое внедрение и перспективы использования акустооптической (АО) спектроскопии сдерживаются отсутствием специализированного программного обеспечения, учитывающего все особенности АО спектральных данных. Обработка информации, полученной с акустооптического спектрометра (АОС), требует возможности выполнения широкого спектра операций, выполняемых в интерактивном режиме, возможности быстро (в автоматизированном режиме) обрабатывать большие объемы информации, а также документировать, хранить как результаты измерений, так и результаты обработки полученной информации. Также следует отметить, что весь процесс обработки данных, полученных с АОС, должен, с одной стороны, выполняться как единый процесс, с другой стороны - задачи, связанные с научно-исследовательскими работами, не могут (по определению) выполняться по единому шаблону (алгоритму), т.е. путей достижения требуемого результата может быть несколько. Существующее программное обеспечение не позволяет реализовать указанные задачи, поскольку оно деструктуризировано, т.е. каждая программа позволяет решить только одну задачу и является полностью автономной. Отсюда следует, что набор подобных программ не позволяет выполнять обработку информации как единый процесс обработки и анализа спектральных данных. К тому же, многие из существующих программ были разработаны в системе DOS и, как следствие, не обладают развитым эргономичным интерфейсом. Ряд программ, разработанных под семейство ОС Windows, зачастую обладают только частью функциональности программного обеспечения ранних версий. Это является следствием того, что подобные программные продукты разрабатывались как дополнения к существующему ПО.
Так, на сегодняшний день основными универсальными средствами обработки спектральных данных являются программы серии “SPCTL”, работающие в среде “Windows” и предлагающиеся для компьютеризированных АО спектрометров, управляемых внешним компьютером. Эти программные продукты имеют развитой графический интерфейс, многофункциональное рабочее окно, разнообразные режимы измерений и отображений, включая рамановский режим, элементы автотестирования. Однако в этом перечне нет основных функций программы “Quartz”, работавшей в среде DOS, а именно: вычитание, деление, сглаживание, логарифмирование и др. Принципиальная возможность проделывать эти операции в другой программе не решает проблемы, т.к. время выполнения одной такой операции составляет несколько минут (против нескольких секунд, необходимых в программе “Quartz”). Фактически одно это обстоятельство вычеркивает АОС из разряда быстродействующих.
Существующие общие математические и спектроаналитические программы, ориентированные на работу с непрерывными функциями, не способны адекватно отображать АО спектральные данные и проводить операции с ними, например, вычитание и деление спектров. Табличные редакторы также не способны обеспечить правильное и удобное оперирование этим типом функций. При анализе АО спектральных данных требуется применение многоэтапных процедур, что ставит проблему запуска и обменов данными между исполняющими приложениями, которые могут располагаться на других узлах, объединенных в сеть. Технологии распределенных и сервис-ориентированных вычислений, базирующееся на использовании универсальных идентификаторов, не требующие установления сессионного соединения, позволяют эффективно задействовать разнородные вычислительные ресурсы для автоматического выполнения сценариев обработки данных.
Для программных комплексов, участвующих в АО спектрометрии, необходимо применение мощных современных интегрированных систем научных и инженерных расчетов, пакетов обработки больших массивов статистических данных и других специализированных программных средств. Таким образом, необходимо создание специализированного программного обеспечения, позволяющего осуществлять работу с рассматриваемыми математическими объектами и предусматривающего возможность обработки АО спектральных данных с использованием разнородных вычислительных ресурсов.
Предметом исследования является моделирование временных параметров файловых систем и архитектур, перспективных для применения в программном комплексе для анализа, хранения и визуализации акустооптической спектральной информации на основе компьютерной сети с универсализацией идентификаторов, совершенствование алгоритмов и разработка программного комплекса, реализующего эти алгоритмы.
Целью работы является повышение эффективности и производительности процессов обработки и анализа акустооптических спектральных данных путем совершенствования архитектуры файловой системы, сценарного подхода к формированию алгоритма анализа и использования сетевых технологий, основанных на принципе определения операций и ресурсов по универсальным идентификаторам без установления сессионного соединения.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
-
Предложена математическая модель быстродействия файловых систем, лежащих в основе базы данных для хранения акустооптических спектральных данных.
-
Разработана система оценки оптимальной реализации файловой системы хранения акустооптических спектральных данных.
-
Разработаны алгоритмы обработки и анализа спектральных данных, учитывающие особенности работы акустооптических приборов.
-
Разработан программный комплекс, воплощающий предложенные алгоритмы анализа, обработки и визуализации акустооптических спектральных данных.
Научная новизна результатов, полученных автором:
-
Предложена модель временных характеристик файловых систем, лежащих в основе базы данных для хранения акустооптических спектральных данных.
-
Разработан метод оценки допустимых отклонений параметров, влияющих на ключевые характеристики быстродействия файловой системы базы данных для хранения акустооптических спектральных данных. На основе предложенной модели и метода разработана многокритериальная рейтинговая система оценки оптимальности реализации файловой системы.
-
Разработана архитектура программного комплекса для анализа, хранения и визуализации акустооптической спектральной информации, основанная на модифицированном подходе к построению программного ядра и использованию компьютерной сети с универсальной идентификацией операций и ресурсов без установления сессионного соединения.
Практическая ценность работы заключается в созданном программном комплексе, позволяющем решать задачи обработки и накапливания акустооптических спектральных данных, который может применяться в различных предметных областях. В работе описано практическое применение построенного алгоритма и комплекса программ при обработке дискретных спектральных данных. Показана реализация разработанного алгоритма с использованием принципа определения операций и ресурсов по универсальным идентификаторам без установления сессионного соединения, позволяющая ускорить обработку АО спектральных данных в 3,4-3,7 раз.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ХХХVI, ХХХVII и XXXVIII Международных НТК «Гагаринские чтения» (2010-2012 гг.), Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии – НМТ-2010» (2010 г.), Международной Научно-технической конференции «Диагностика-2011» (2011 г.), заочной электронной конференции в Научном электронном архиве Академии естествознания (2011 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 16 печатных работах, в том числе 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2011612817 (2011 г.), 1 свидетельство о регистрации базы данных №2011620267 (2011 г.), 6 публикаций в изданиях из перечня ВАК.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Изложение иллюстрируется 36 рисунками и 20 таблицами. Общий объем 147 страниц, список литературы 92 наименований.
