Software & Systems

Экспериментальные исследования в области теоретической кристаллохимии [1] являются важными с точки зрения их применения в смежных областях, занимающихся изучением свойств химических веществ и соединений, а также в наукоемких отраслях промышленности, заинтересованных в практической реализации результатов этих исследований. Для этого специалистам, проводящим эксперимент, необходимо получать и обрабатывать достоверную и полную информацию о химических объектах различной природы и их исследуемых или прогнозируемых свойствах [2]. Однако процесс подобных исследований осложняется особыми обстоятельствами, требующими изменения структур хранения данных в процессе сбора сведений о предметной области или решаемой задаче. Среди них необходимость тщательного подбора в соответствии с форматом хранения групп экспериментальных данных, проведение комплексных исследований с использованием разнородной исходной информации и, как следствие, необходимость ее интерпретации или нормализации для использования в рамках эксперимента.

Для упрощения работы исследователей в области вычислительной химии, кристаллохимического анализа, структурной химии и других подобных дисциплин в эксплуатацию стали вводиться специализированные информационные системы и программные комплексы, в которых делалась по- пытка обработки и хранения всей информации, необходимой для исследования. Большинство таких программных продуктов имеют очень узкую специализацию. Они не рассчитаны на расширение или реорганизацию используемой БД [3], инте- грацию с другими информационными системами и вычислительными комплексами. Это закрытые и обособленные программные продукты, у которых функциональность и система хранения данных ориентированы лишь на очень узкоспециализированную область.

Преодолеть указанные недостатки можно, выйдя на качественно новый уровень разработки ПО подобного класса. Необходимо создание универсальной модели хранения и обработки разнородной информации, которая могла бы служить основой для построения различных информационно-вычислительных систем и формирования среды накопления формализованных данных [4] для их дальнейшего применения в диагностике, прогнозировании или идентификации в любых узкоспециализированных областях химических наук.

Прикладные задачи в кристаллохимии

Прикладная кристаллохимия теснейшим образом связана со многими другими науками, такими как физика, биология, минералогия, медицина, геология, металлургия и т.д. Невозможно провести четкие границы между этими смежными дисциплинами, поскольку они образуют систему взаимопроникающих и влияющих друг на друга областей. С одной стороны, кристаллохимия получает от различных научных дисциплин принципы и закономерности, на основе которых формируются технологические приемы, используемые в процессе исследования, методы анализа исходных данных и обработки результатов эксперимента. С другой стороны, она обеспечивает многие науки данными на основе результатов исследований [1] и методами, которые в очень значительной степени предопределяют успех в различных подобластях этих наук. В основном методы исследования, применяемые в кристаллохимии и других смежных областях, позволяют получать информацию о составе, строении и свойствах вещества. При этом задачи, которые приходится решать в ходе экспери- ментального исследования, можно отнести к нескольким базовым сегментам, среди которых присутствуют вычислительные задачи, задачи геометрического характера, математического моделирования и задачи классификации и кластерного анализа. Большинство таких задач напрямую или косвенно связаны с обработкой, относящейся к их контексту разнородной информации. При описании экспериментальных данных важной особенностью предлагаемой универсальной модели является возможность распределения заранее неограниченного многообразия объектов и их отношений по ограниченному набору понятий. Перечень этих понятий определяет набор таблиц реляционной БД, фиксируя структуру хранилища.

Основная идея

Как и в других областях науки, в процессе создания систем накопления и обработки данных наиболее подходящей основой является дедуктивный метод. Он обеспечивает декомпозицию сложных понятий на более простые компоненты с математически и семантически обоснованным поведением [5]. Использование таких примитивов служит важной предпосылкой разработки эффективного и надежного способа описания данных, необходимого при проведении исследований [6]. Чтобы пояснить, из чего состоят предлагаемые решения, основанные на фундаментальных понятиях программирования и анализа предметной области, необходимо дать краткий обзор некоторых категорий идей, которые соответствуют этим поняти- ям [7]. Начиная экспериментировать с данными, специалисты чаще всего используют какую-то одну технологию [8, 9]. Задача данной статьи – показать определенный спектр средств и методологий для возможной оценки того, какие из них лучше подходят для работы с данными, представ- ляющими некоторое научное знание. К сожалению, невозможно показать все, что можно сделать в рамках выбранного направления, но для принятия первоначальных решений этого должно быть вполне достаточно.

Объекты любого типа и их отношения могут быть описаны в терминах некоторой упрощенной концепции (рис. 1). Основными понятиями такой модели являются существительное (Noun), прилагательное (Adjective), глагол (Verb), наречие (Adverb) и дескриптор (Descriptor) – лексическая единица, служащая для описания основного смыслового значения и однозначно ставящаяся в соответствие группе ключевых понятий рассматриваемой предметной области.

Когда подобные понятия определены, несложно перейти к более конкретному описанию, распространяя семантику данной концептуальной модели на объекты, их атрибуты, отношения между объектами и атрибуты отношений, применяя реляционный подход в совокупности с элементами из теории объектно-ориентированного программирования (рис. 2).

Здесь основной акцент делается на том, что при сохранении реляционного ядра системы хранения она наращивается более или менее удачными объ- ектными надстройками [5]. В качестве таких надстроек могут выступать и расширяемая поль- зователем система типов, и средства описания иерархически взаимосвязанных данных, такие как наследование и композиция, которые позволяют представлять отношения между сущностями по принципам подобного поведения (is a) или являются частью (has a) соответственно [7]. Объектно-ориентированный подход позволяет представлять данные в виде совокупности взаимодействующих объектов, каждый из которых – экземпляр сущ- ности определенного класса. Это способствует правильному и более эффективному структурированию хранимой информации, а также делает воз- можной объектно-ориентированную декомпозицию при анализе или обработке данных [3].

Универсальная модель данных обеспечивает инвариантность (неизменяемость) структуры реляционной БД по отношению к различным вариантам поступающей информации, а также в соответствии с выбранным форматом хранения позволяет распределять данные, содержащие описание предметной области, по таблицам (сущностям) и полям (атрибутам) системы хранения.

Многие вычислительные приложения для экспериментальных исследований часто используют некоторый набор элементов, взаимосвязанных между собой определенным набором соединений. Например, экземпляр какой-либо абстрактной структуры данных может содержать некоторый набор сущностей, обладающих семантикой поведения вершины графа [10]. И пусть эти сущности могут объединяться в пары с помощью связей, обладающих семантикой поведения ребра графа. Вершины и ребра могут представлять собой объекты любой природы, которые, как правило, имеют в своем описании какую-либо характеристику, позволяющую идентифицировать их среди множества подобных объектов. Кроме того, они могут быть снабжены и некоторыми дополнительными атрибутами, касающимися, например, положения или статуса вершины, веса или ориентированности ребра, а также сведениями о свойствах той абстракции, которая в данный момент может рассматриваться как вершина или ребро.

Если описываемую концептуальную модель применить, например, для приложений хранения и обработки подобной информации, то вершины графа можно представить как существительные (Noun) или объекты (Object). Каждая вершина, принадлежащая графу, может быть связана с одной или несколькими другими вершинами посредством ребер, и это с учетом выбранных понятий можно интерпретировать как глагол (Verb) или отношение (Relationship). Основные свойства вершин и ребер можно рассматривать как дескрипторы (Descriptor) или атрибуты (Attribute). Какие-либо характери- стики, качества или измерения, свойственные вер- шинам, – это прилагательные (Adjectives) или атри- буты объектов (ObjectAttribute), а для ребер – это наречия (Adverbs) или атрибуты отношений (RelationshipAttribute).

В описании каждого объекта или отношения присутствуют поля, отвечающие за смысловой контекст их экземпляров. Это ObjectName и ObjectType для объектов и RelationshipType для отношений. Для каждого атрибута предполагается его формальное описание в виде имени (поле AttributeName), что можно интерпретировать как способ объявления атрибутов без указания их фактических значений. Значения атрибутов, связанных с конкретным экземпляром объекта, могут быть определены с использованием поля Value ассоциативной сущности ObjectAttribute. Этот же класс сущности служит своего рода абстрактной спецификацией для типа объекта, определяя набор именованных характеристик, которые в дальнейшем можно ассоциировать с конкретным объектом при выборке данных. Таким же образом значения атрибутов для экземпляров отношений (класс сущности Relationship) определяются в поле Value ассоциативной сущности RelationshipAttribute.

Этот пример является очень упрощенным, но в то же время он может быть достаточно общим, чтобы поддерживать большинство приложений и обеспечивать добавление данных любого типа и любого уровня сложности. Многие научные лаборатории или исследовательские центры могли бы работать с приложениями на основе предлагаемой модели данных в силу ее универсальности и высокого уровня абстракции при описании свойств объектов и отношений между ними.

Реальные данные

Предположим, что для проведения расчетов или обработки результатов эксперимента в БД, поддерживающую универсальную модель хранения, нужно загрузить небольшой сегмент кристаллографических данных, представляющих информацию о химическом соединении и его свойствах. И пусть эти данные будут касаться содержимого элементарной ячейки, характеризующей структуру этого соединения и соответствующего этому содержимому набора свойств [2].

Поскольку главной задачей объектно-ориентированного проектирования [7] является правильный выбор совокупности используемых абстракций, для выделения концептуальных границ модели данных необходимо сформировать перечень таких абстракций, связанных с уже определенным набором понятий. Данные об атомах и межатомных связях будут представлены в терминах объектов и отношений между объектами, а свойства атомов и связей – в терминах атрибутов объектов и атрибутов отношений соответственно.

Ввиду того, что концептуальное представление информации об атомах и межатомных связях очень похоже на представление информации о вершинах и ребрах графа, в качестве основного средства хранения данных о содержимом элементарной ячейки целесообразно выбрать абстракцию, поддерживающую логику работы списка смежности графа [10]. В рамках этой абстракции можно легко отслеживать все дочерние элементы, включенные в связный список вершин, обозначенных как корневые. Для задач из специфических предметных областей при ассоциации вершин и ребер с соответствующими объектами предметной области и связями между ними свойства таких объектов и их связей можно легко отображать как свойства корневых или дочерних элементов и, соответственно, как свойства связей между этими элементами (рис. 3).

Например, все неэквивалентные атомы в элементарной ячейке, выступающие в роли корневых элементов (Root element(s)), могут обладать следующими характеристиками: Name – символ химического элемента, который представляет атом; Type – метрика, выделяющая ключевые характеристики объекта для однозначной идентификации среди всех объектов других видов; X, Y, Z – кристаллографические координаты; CN – координационные числа для валентных и невалентных контактов; Rsd – радиус сферического домена.

Все атомы, связанные с корневыми атомами и являющиеся дочерними элементами (Element 1, Element 2, … , Element N), могут содержать в своем описании следующие данные: Name и Type – как и в описании корневых элементов; TS – операции трансляционной симметрии; RS – операции ротационной симметрии.

Межатомные связи, интерпретируемые как связи между корневыми и дочерними элементами (Bond 1, Bond 2, … , Bond N), могут быть описаны с использованием следующих свойств: SA – телесный угол; R – межатомное расстояние; BV – валентная связь; Mult – количество валентных связей одного типа в элементарной ячейке.

Представим последовательно все данные, загруженные в упрощенную модель универсального хранилища в соответствии с установленной систе- мой понятий и перечнем базовых абстракций, определяющих семантику хранения. В терминах универсальной модели данных в качестве объектов будем воспринимать все атомы вне зависимости от их принадлежности к корню или части, содержащей дочерние элементы (табл. 1).

Таблица 1

Результат выборки данных об объектах

Table 1

The result of an object data sample

Все межатомные связи описываются как отношения между объектами с учетом их направления (табл. 2), потому что на этапе финальной выборки будет важно удостовериться, какой из атомов является корневым элементом, а какой дочерним.

Таблица 2

Результат выборки данных об отношениях между объектами

Table 2

The result of an object relationships data sample

Все имена свойств, участвующих в описании характеристик атомов и межатомных связей, могут интерпретироваться как имена атрибутов объектов или отношений между ними (табл. 3). В данном случае структуру хранения имен атрибутов можно воспринимать как словарь предметной области для спецификации свойств абстракций, используемых при описании данных.

Таблица 3

Результат выборки данных об атрибутах

Table 3

The result of an attributes data sample

Необходимо сделать акцент на том, что среди записей таблицы Attribute для поля AttributeName отсутствуют значения Name и Type, относящиеся к описанию как элезментов, так и связей (рис. 2). Это связано с тем, что они уже используются (табл. 1, 2) в определении объектов (поля ObjectName и ObjectType) и отношений (поля RelationshipName и RelationshipType).

Таблица 4

Результат выборки данных об атрибутах объектов

Table 4

The result of an object attributes data sample

Все значения свойств атомов можно воспринимать как значения атрибутов объектов (табл. 4). Кроме того, на этапе выборки данных о свойствах объектов ассоциативная сущность ObjectAttribute играет главную роль, потому что именно на ее уровне происходит спецификация типа объекта, в частности, тех ключевых характеристик абстракции, представляемой объектом, которые в данный момент времени позволяют ее однозначно идентифицировать.

Все, что касалось атрибутов объектов, справедливо и для атрибутов их отношений (табл. 5), которые участвуют в спецификации типа отношения, иными словами, формируют концептуальные границы восприятия отношения между объектами и той абстракцией, которую оно представляет, со стороны потребителя данных.

Финальная выборка данных (табл. 6) с полным списком атомов, межатомных связей и их свой- ствами, содержащихся в элементарной ячейке, представлена в таблице 6.

Таблица 5

Результат выборки данных об атрибутах отношений объектов

Table 5

The of an object relationship attributes data sample

Поле Level определяет уровень вложенности между атомами по принципу «часть–целое». В этом смысле при представлении данных в виде древовидной структуры, следуя логике хранения списка смежности, строка, содержащая большее значение для атрибута Level, является подчиненной относительно строки с меньшим значением того же атрибута. При работе с такой моделью данных очень важным является правильный подход к идентификации абстрактных сущностей. Это одна из самых сложных задач объектно-ориентированного анализа и проектирования и в большинстве случаев ее решение фрагментарно содержит в себе элементы эвристики. Для этого необходимо уметь распознавать основные абстракции и механизмы, образующие терминологический аппарат или словарь предметной области, а также конструировать обобщенные абстракции и новые механизмы, опре- деляющие способы взаимодействия для уже имеющихся объектов.

Заключение

Задача построения универсальной модели данных возникает при необходимости реализации системы хранения неструктурированной информации с применением объектно-ориентированного способа ее представления. Подобная универсальная модель может служить прототипом для создания БД, использование которых в качестве информационных систем при проведении исследований оправдано, из-за необходимости хранения совокупности знаний о предметной области и способах решения задач. Обычно знания в таких базах за- писываются в форме конструкций предметно- ориентированного языка, в данном случае языка представления знаний. Наиболее приближенный к контексту конкретной области, такой язык может детально представлять взаимосвязь между структурой предметной области и тем, как в нем выражены ее общность и вариация.

Выводы

Основными преимуществами предлагаемого подхода можно считать возможность применения рассматриваемой универсальной модели к любому виду информации, а также возможность определения системы понятий, дающих основу для ее дальнейшего структурирования, классификации. В статье приводятся пояснения, из чего состоят предлагаемые решения и методологии, основанные на фундаментальных понятиях программирования и анализа данных. Универсальная модель хранения позволит с помощью специализированных приложений анализировать свойства химических соединений, проводить геометрико-топологические исследования с возможностью получения множества результатов, необходимых для дальнейшего развития представлений о составе и свойствах вещества.

Литература

1.     Blatov V.A., Proserpio D.M. Periodic-graph approaches in crystal structure prediction. A.R. Oganov (Ed.). Modern me- thods of cristal structure prediction. Wiley-VCH Publ., 2011, pp. 1–28.

2.     Hahn T. International tables for crystallography. Vol. A: Space-group symmetry. Springer Publ., 2005, 911 p.

3.     Ambler S.W., Sadalage P.J. Refactoring databases: evolutionary database design. Addison-Wesley Publ., 2006, 384 p.

4.     Silverstone L. The data model resource book, vol. 3: Universal patterns for data modeling. Wiley Computer Publ., 2009, 648 p.

5.     Fowler M. Patterns of enterprise application architecture. Addison-Wesley Publ., 2003, 736 p.

6.     Hey D.C. Data model patterns: conventions of thought. Dorset House Publ., 1996, 288 p.

7.     Booch G. Object-oriented analysis and design with applications. 3rd ed. Addison-Wesley Publ., 2007, 534 p.

8.     Simsion G.C., Witt G.C. Data modeling essentials. 3rd ed. Morgan Kaufmann Publ., 2005, 560 p.

9.     Silverstone L. The data model resource book, vol. 1: A library of universal data models for all enterprises. Wiley Computer Publ., 2001, 542 p.

10.   Sedgewick R., Wayne K. Algorithms. 4th ed. Addison-Wesley Publ., 2011, 976 p.