Фищенко

О КОНЦЕПЦИИ РАЗВЕРТЫВАНИЯ GRID-ИНФРАСТРУКТУРЫ ДЛЯ ПОДДЕРЖКИ
ИССЛЕДОВАНИЙ СЕЙСМИЧЕСКОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ ЛАЗЕРНОИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ
Г.И. Долгих, В.К. Фищенко, А.В. Голик, А.Е. Суботэ
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН
690041, Владивосток, ул. Балтийская, 43
Тел.: (4232) 31-21-31, Факс: (4232) 31-25-73, [email protected]
В последние годы в мировом научном сообществе растет понимание, что
фундаментальные, прорывные научные результаты все в большей степени будут получаться
не учеными-одиночками и малыми научными группами, а большими междисциплинарными
коллективами, создаваемыми для решения масштабных научных проблем из ведущих
специалистов по различным аспектам проблемы. Роль информационных технологий в этом
процессе состоит в создании условий для формирования и поддержки согласованной работы
таких «виртуальных коллективов», состоящих из территориально разнесенных участников,
которым должны оперативно предоставляться все необходимые для решения проблемы
ресурсы
–
информационные,
концентрированном
виде
эта
аналитические,
идея
об
вычислительные.
интегрирующей
научный
В
наиболее
процесс
роли
информационных технологий выражена в концепции технологии GRID, развиваемой с конца
1990-х годов [1]. На сегодняшний день, в мире успешно действуют сотни GRID-проектов и
число их растет, проекты объединяются, укрупняются, в активную работу в парадигме GRID
вовлекается все большее число ученых.
В связи с этим полагаем актуальной для ДВО РАН
реализацию крупных
интеграционных научных проектов с использованием технологии GRID. Это было бы
полезно как для получения нового научного знания, так и для приобретения опыта
применения технологии GRID для поддержки научных исследований в Отделении. Одной из
важных для ДВО РАН научных задач, где в полной мере могут быть реализованы
преимущества GRID, является задача комплексного изучения особенностей сейсмического
поля Земли в переходной зоне «океан-материк» на основе лазерно-интерференционных и
ряда сопутствующих методов.
Лазерно-интерференционные измерители микродеформаций земной коры (лазерные
деформометры) благодаря высокой точности измерений и уникально широкой полосе
анализируемых частот сейсмического сигнала с успехом применяются для исследования
обширной совокупности природных феноменов, от внутренних процессов, протекающих в
толще земной коры, до гравитационных волн, порождаемых черными дырами и вспышками
сверхновых звезд во Вселенной. Ранее было показано, см. например [2], что лазерные
деформометры, установленные в переходной зоне океан-материк, потенциально способны
регистрировать отклики различных процессов в ближней и дальней зонах океана – ветрового
волнения, внутренних волн, сейшей, океанических штормов, морских землетрясений,
возмущений, создаваемых двигательными установками надводных и подводных морских
судов. Это дает надежды на создание на их основе принципиально новой технологии
дистанционного мониторинга океанических процессов, актуальной для решения широкого
круга
как
фундаментальных,
перспективность
так
и
прикладных
лазерно-интерференционных
задач.
измерителей
Отметим,
для
в
частности,
оперативной
цунамигенности морских землетрясений по факту наличия/отсутствия
оценки
резкого сброса
сигнала напряженности сейсмического поля, обусловленного вертикальными подвижками
земной коры в эпицентре землетрясения [3]. Помимо океанологических приложений
лазерные деформометры дают много уникальной информации о процессах, источники
которых находятся в глубине земной коры. Так, например, для
понимания процессов,
предшествующих подготовке землетрясений, важна информация о поведении сигнала
микродеформации Земной коры в сверхнизкочастотном (0-0.01 Гц) и высокочастотном (1001000 Гц) диапазонах, недоступных для наблюдения в современных сейсмографах.
Для дальнейшего развития методов регистрации и исследования откликов всего
спектра природных процессов в сигналах лазерной деформометрии, для создания на этой
основе автоматических дистанционных методик пространственно-временной локализации
источников и исследования характера протекания этих процессов, для поиска и отработки
перспективных методик прогнозирования катастрофических землетрясений, для создания
оперативных систем предупреждения населения прибрежных районов о цунами актуально
развертывание на побережье Дальневосточных морей и в континентальной части страны
сети лазерных деформометров. Эта работа практически уже началась. В ближайшее время
планируется провести работы по установке двух новых деформометров на Морской
экспериментальной станции м. Шульца в Хасанском районе Приморского края, одного
деформометра на территории Уссурийской астрофизической обсерватории ДВО РАН. С 2006
года введен в эксплуатацию деформометр на одном из научных стационаров ИКИР РАН на
Камчатке, планируется создание там же еще одного. В рамках Конкурса интеграционных
проектов ДВО и УрО РАН с участием наших специалистов введен в эксплуатацию лазерный
деформометр на одной из соляных шахт Южного Урала.
Отметим,
что
установка
лазерных
деформометров
должна
сопровождаться
развертыванием инфраструктуры средств объективного наблюдения за процессами,
способными
оказывать
влияние
на
деформосигнал.
Так
рядом
с
прибрежными
деформометрами целесообразна установка разработанных в отделе Акустики океана
лазерных нанобарографов и подводных волнографов. Много информации, полезной для
интерпретации сверхнизкочастотной части спектра сигнала деформации, дадут данные с
автоматических
метеостанций,
расположенных
как
непосредственно
рядом
с
деформометром, так и на некотором удалении. Для задачи разделения откликов
океанических процессов и других природных феноменов необходимы объективные данные с
разнообразных океанологических систем измерений в районе, примыкающем к местам
установки деформометров – измерителей течений, волнографов, систем датчиков
температуры
и
солености
и
т.д.
Для
исследования
возможностей
лазерно-
интерференционных деформометров при регистрации и анализе высокочастотной части
спектра колебаний земной коры целесообразно сопоставление деформометрических данных
с данными гидроакустических экспериментов, осуществляемых в прибрежной зоне. В связи
с задачей исследования особенностей протекания природных процессов в период,
предшествующий землетрясениям, актуально включение в сеть сейсмоакустического
мониторинга данных сетей станций магнитотеллурического зондирования земной коры,
разворачиваемых в настоящее время специалистами ТОИ на территории Приморского и
Хабаровского краев
и специалистами ИКИР на Камчатке. Безусловно, актуально
привлечение к общему анализу сейсмической и сопутствующей информации данных сети
сейсмических станций Дальнего востока, поддерживаемых региональными отделениями
Геофизической службы РАН. Для более объективной интерпретации откликов удаленных
океанических феноменов и землетрясений необходимо знать геоморфологическую структуру
морского дна, по которому осуществляется основной перенос сейсмической энергии к
деформометру.
Для исследования возможностей лазерно-интерференционных методов в
задачах отслеживания геодинамических процессов актуально использование данных сети
GPS-станций, установленных в прибрежной зоне дальневосточных морей. Как показали
наши предварительные исследования, много информации об особенностях пространственновременного
спектра
поверхностного
волнения,
вносящего
существенный
вклад
в
регистрируемые деформометром сигналы, можно получить на основе анализа данных с
автоматических камер видеонаблюдения, установленных в береговой зоне. Еще один
важный источник данных – спутниковые наблюдения поверхности океана в видимом и
радиоволновом диапазонах. В Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН
развернут Центр спутникового мониторинга, ежедневно принимающий и распространяющий
в масштабах ДВО РАН информацию с нескольких полярно-орбитальных и геостационарных
спутников. Значительные массивы радиолокационных спутниковых изображений с
проявлениями различных океанологических феноменов собраны в цифровом виде
специалистами отдела Спутниковой океанологии ТОИ ДВО РАН. Фактически спутниковые
и
лазерно-интерференционные
методы
представляют
собой
два
направления
в
дистанционном исследовании океанических феноменов. Важно сопоставить возможности
обоих методов и предложить оптимальные схемы их сочетания при постановке и решении
различных классов научных и прикладных океанологических задач.
Таким образом, в общий проект создания региональной системы сейсмоакустического
мониторинга помимо специалистов в области лазерно-интерференционных методов в той
или иной мере должно быть вовлечено весьма значительное число специалистов из ряда
других областей знания наук о Земле. Эти специалисты будут с одной стороны участвовать
как поставщики своих данных, с другой – как потребители сейсмоакустических и других
видов данных, необходимых им для решения задач своей предметной области. В этом
смысле, полагаем, что данный проект создания сети наблюдения сейсмического поля Земли
следует рассматривать как междисциплинарный. Для его успешной реализации следует
использовать возможности современных информационных технологий, которые могли бы
обеспечить решение ряда важных задач. Понятно, что одной из первоочередных является
задача координации работы всех участников над общими задачами проекта. Вторая задача
связана с организацией управления всей совокупностью данных, начиная с момента их
регистрации на удаленных экспериментальных установках и пересылки в оперативном
режиме в береговую инфраструктуру хранения, до предоставления данных по запросам
участников проекта непосредственно на их
рабочие места
в институтах
и
на
экспериментальных станциях. Третья задача связана с разработкой аналитических
программных приложений, способных выполнять различные процедуры обработки данных и
моделирования. Эти приложения должны выполняться в автоматическом режиме либо
предоставляться различным группам участников по их запросам. Необходимость разработки
прикладного программного обеспечения обуславливает фактическое включение в состав
участников междисциплинарного проекта квалифицированных специалистов в области
анализа данных и моделирования. Они должны получить права доступа к определенным
типам данных, а также возможность пополнять базу аналитических приложений проекта.
Четвертая задача связана с обеспечением вычислительной поддержки проекта. Она
обусловлена необходимостью обработки очень больших объемов исходных данных,
желанием
обеспечить
для
некоторых
задач
режим
реального
времени,
высокой
вычислительной трудоемкостью некоторых алгоритмов обработки данных и моделирования.
Для этого могут быть применены системы распределенных вычислений типа Condor,
которые можно развернуть на базе локальных компьютерных сетей в институтах и на
удаленных
экспериментальных
станциях,
а
также
суперкомпьютерные
комплексы,
имеющиеся в корпоративной сети ДВО РАН, в частности, в Вычислительном центре ДВО
РАН в Хабаровске и ИАПУ ДВО РАН во Владивостоке.
В связи со всем вышесказанным нами предполагается начать развертывание GRIDинфраструктуры для комплексной поддержки работ в рамках проекта по исследованию
сейсмического
поля
Земли
в
переходной
зоне
«океан-материк».
Сначала
будет
спроектирована общая архитектура GRID-инфраструктуры, увязывающая группы научных
специалистов, участвующих в проекте, удаленные экспериментальные установки и системы
сбора данных всех видов, телекоммуникационную инфраструктуру доставки удаленных
данных в основные центры хранения и обработки, саму инфраструктуру хранения данных,
базу аналитических приложений, средства высокопроизводительных вычислений. Далее
начнется техническая реализация ключевых элементов спроектированной инфраструктуры, а
с помощью инструментальных пакетов Globus Toolkit 4 и gLite будут реализовываться
базовые сервисы управления GRID-ресурсами. Для предоставления ресурсов территориально
разнесенным участникам междисциплинарного проекта будет создана интерфейсная
надстройка на базе океанологической информационно-аналитической системы ДВО РАН [4].
Работа поддержана грантом РФФИ 08-05-99100-р_офи.
ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
3.
4.
Foster I., Kesselman C., Tuecke S. The Anatomy of the GRID // International Journal of High Performance
Computing Applications, 15 (3). 2001. P. 200-222.
Долгих Г.И. Исследование волновых полей океана и литосферы лазерно-интерференционными методами.
Владивосток: Дальнаука. 2004 г. 160 с.
Долгих Г.И., Долгих С.Г., Ковалев С.Н. и др. Деформационный метод определения цунамигенности
землетрясений // ДАН. 2007. Т. 417, № 1, С. 109-112.
Фищенко В.К., Голик А.В., Антушев С.Г. О проекте корпоративной океанологической информационноаналитической системы ДВО РАН и задаче развертывании глобальной GRID-инфраструктуры Отделения //
Открытое образование. 2008. № 4. С. 47-64