Software & Systems

Среди многих важных проблем, волнующих современное человечество, одно из первых мест принадлежит проблеме сохранения окружающей среды с ее сложными механизмами самовосстановления и саморегулирования, сложившимися за долгое время существования планеты.

Актуальность данной проблемы обусловлена в первую очередь тем, что сегодняшний уровень развития научно-технического прогресса и индустриализации оказывает значимое воздействие на все элементы биосферы, приводя их к нежелательному изменению. Создающаяся таким образом экологическая напряженность заметно ухудшает условия жизни людей, животных и растений.

Одной из задач исследований по охране окружающей среды является накопление и анализ информации по всем аспектам техногенного влияния на биосферу планеты. В рамках этой общей задачи важная проблема –загрязнение водных бассейнов тяжелыми металлами.

Данная работа нацелена на повышение эффективности борьбы с заражением водоемов тяжелыми металлами, поступающими со сточными водами предприятий, и направлена на сбор и обработку статистической информации о загрязнениях водных ресурсов тяжелыми металлами для прогнозирования экологической обстановки на зараженных объектах.

Информационная система по биомониторингу тяжелых металлов BION состоит из:

· системы баз данных по загрязнителям и биологическим объектам;

· аналитического программного обеспечения, выполняющего функцию обработки пользовательских запросов и анализа данных;

· системы доступа конечного пользователя к информационной системе.

На рисунке показана структура BION. Пользователь системы непосредственно (либо средствами Intranet/Internet) взаимодействует только с WWW сервером системы и с интерфейсной частью аналитического программного обеспечения. От WWW сервера пользователь получает начальные данные, необходимые для общения с системой, проходит аутентификацию и получает результаты простых запросов. WWW сервер, в свою очередь, является основным блоком системы, связывающим все ее компоненты в единое целое. WWW сервер взаимодействует с сервером БД, к которому подключены БД по тяжелым металлам и биологическим объектам, имея собственный набор вспомогательных данных, в которые входят шаблоны интерфейса с пользователем, массивы дополнительных ссылок, информация по разграничению прав пользователей.

Аналитическое программное обеспечение взаимодействует как с пользователем непосредственно, так и через WWW сервер, а также с сервером БД.

Выбор аппаратного и программного обеспечения для построения системы

Для создания информационной системы выбрана модель вычислений клиент–сервер, построенная на стандартных протоколах архитектуры открытых систем. Такая модель отвечает современным требованиям при создании информационных систем и обладает следующими основными преимуществами:

· построение системы на основе стандартов открытых систем обеспечивает для информационной системы возможность прозрачного взаимодействия с другим ПО, созданным по стандартам ОС;

· многопользовательский режим дает возможность одновременного доступа нескольких пользователей к ИС, в том числе и по сети;

· совместимость с Internet обеспечивает доступ пользователей Internet к создаваемой ИС, причем без установки на компьютер пользователя дополнительного ПО, так как выбранное программное обеспечение совместимо со стандартами сети Internet;

· модульная структура обеспечивает гибкость, то есть ИС может быть легко настроена на нужды определенного пользователя дополнением или изменением конкретных модулей системы без переписывания всей информационной системы в целом;

· расширяемость позволяет при построении системы стандартных средств и протоколов произвести перенос системы как на более мощные аппаратные платформы (начиная с dual Pentium серверов и заканчивая кластерными системами на базе серверов Sun Sparc), так и на более мощное программное обеспечение, включая, например, такой сервер, как Oracle Parallel Server.

Таким образом, для построения системы BION выбрано следующее программное обеспечение:

*  операционная система сервера – FreeBSD Unix version 2.2.2;

*  система БД – SQL server miniSQL version 1.1.16;

*  модульное программное обеспечение на основе языка Java и стандартов JDBC и JavaBeans;

*  система поддержки интерфейса пользователя – WWW server Apache;

*  операционная система клиента – любая, поддерживающая WWW навигатор и язык Java.

Рассмотрим эти компоненты более подробно. Операционная система FreeBSD представляет собой клон BSD-unix, обеспечивая многопользовательский режим доступа к программам и БД, функционирующим под ее управлением. Использование данной операционной системы не требует лицензии.

MiniSQL server – это простой сервер реляционных БД, в котором реализовано подмножество языка ANSI SQL. Этот сервер полностью удовлетворяет нуждам создаваемой информационной системы на начальном этапе. Его использование в некоммерческих целях и в учебных заведениях также не требует специальной лицензии.

WWW сервер Apache тесно интегрирован с операционной системой FreeBSD и является оптимальным выбором для нее. Все используемое программное обеспечение согласуется с архитектурой открытых систем, поэтому может быть более или менее легко перенесено на другие варианты программно-аппаратного обеспечения в рамках архитектуры открытых систем.

Широкое распространение и быстрое развитие IBM-совместимых компьютеров на базе процессоров Intel-архитектуры определило выбор аппаратного обеспечения для построения системы BION. В качестве сервера системы используется компьютер 486DX4-133 с 16 Mb оперативной памяти и около 2 Gb дисковой памяти под управлением операционной системы FreeBSD, установленный в сетевом центре НИЦ РХТУ. В Internet данный компьютер имеет адрес bion.muctr.edu.ru. В качестве клиента информационной системы протестированы различные варианты персональных компьютеров, начиная от 486DX2-66 с 8 Mb RAM, заканчивая компьютером с процессором Pentium 166 с 32 Mb RAM под управлением различных операционных систем: Windows’95, OS/2, FreeBSD, Linux.

Организация системы БД

Для построения информационной системы выбрана реляционная модель баз данных, поддерживаемая в сервере miniSQL.

Информационная система BION содержит две системы БД: по тяжелым металлам-загрязнителям и по биологическим объектам и тест-методам.

Кроме того, в системе содержатся дополнительные БД, содержащие служебную информацию.

БД по тяжелым металлам охватывает идентификационную, физико-химическую информацию и информацию о биологических свойствах тяжелых металлов – загрязнителях акваэкосистем.

БД по биологическим объектам и тест-методам содержит информацию по биологическим объектам, их идентификации, по поведению в нормальных и загрязненных условиях, а также методики определения загрязнителей с помощью данных биологических объектов.

Информационная система обеспечивает доступ к обеим БД как со стороны клиента системы, так и со стороны независимых приложений посредством языка SQL. Это свойство системы позволяет использовать BION в качестве банка данных для работы внешней экспертной системы и пополнять информационное содержание системы за счет внешних БД, в том числе и БД, извлеченных из компьютерных сетей или периодических электронных выпусков.

Организация взаимодействия с пользователем

В информационной системе BION взаимодействие с пользователем основано на протоколе http и модулях на языке Java. Таким образом, пользователь обращается к WWW серверу системы для прохождения процедуры регистрации и аутентификации и после этого получает возможность обращаться с запросами к БД информационной системы и аналитическому программному обеспечению. На компьютер пользователя автоматически передаются только те Java модули (applets), которые необходимы для выполнения запроса пользователя.

Рассмотрим структуру информационных потоков, которая также приведена на рисунке. С точки зрения перемещения информации в системе и используемых для этого протоколов передачи данных всю систему можно разделить на три основных уровня.

Уровень 0: пользователи системы. На этом уровне пользователь не имеет никаких локальных информационных ресурсов, относящихся к системе, он может лишь инициировать общение с системой, обратившись стандартным образом к WWW серверу по протоколу http. После этого пользователь может общаться с ядром системы по протоколам http и CGI, получать на свою машину Java-апплеты от ядра системы и взаимодействовать с их помощью с аналитическим программным обеспечением и ядром системы. Пользователь (уровень 0) не имеет непосредственного доступа к серверу БД системы (уровень 2) и, таким образом, может получать данные из БД только через ядро системы (уровень 1).

Уровень 1: ядро системы. Основным компонентом ядра системы является WWW сервер и присоединенная к нему система вспомогательных данных, то есть html-страницы, cgi-скрипты, формы пользовательского интерфейса. Если все эти вспомогательные данные находятся непосредственно на той же машине, что и WWW сервер, то доступ к ним осуществляется средствами файловой системы ufs, если же эти данные запрашиваются с другого WWW сервера, то связь происходит по протоколу http. С WWW сервером тесно интегрировано аналитическое программное обеспечение. Два этих компонента вместе и составляют собственно ядро системы BION.

Уровень 2: сервер БД. Данный уровень представляет собой служебный уровень системы, на котором к ней могут быть подключены разнообразные БД. В настоящее время система взаимодействует с БД по тяжелым металлам и БД по биологическим объектам. Их структуры уже были описаны выше. Ядро системы взаимодействует с сервером БД на основе стандартных протоколов SQL и JDBC. Сервер БД может находиться как на той же вычислительной машине, что и WWW сервер, так и на другой машине, в том числе и с иной аппаратно-программной платформой, но связанной, естественно, компьютерной сетью с машиной, на которой исполняется ядро системы.

Программное обеспечение анализа данных

Для разработки программного обеспечения системы BION выбран язык Java и концептуальный подход сетецентрических вычислений, реализованный в данном языке. Язык Java позволяет создавать модульное (абсолютно объектно-ориентированное) программное обеспечение, не зависимое от аппаратной платформы клиента. Таким образом, пользователь может обращаться к системе BION с любой аппаратно-программной платформы. Единственным условием является реализация на платформе клиента виртуальной машины языка Java и наличие WWW навигатора. C ростом сети Internet это программное обеспечение получило почти повсеместное распространение.

Функции информационной системы

Информационная система BION по запросу пользователя осуществляет поиск:

¨ по БД тяжелых металлов-загрязнителей;

¨ по БД биологических объектов и тест-ме­тодов;

¨ подходящей методики количественного определения загрязнителей по примерным качественным данным.

В качестве дополнительных функций система BION обеспечивает по требованию администратора системы:

à   загрузку и выгрузку БД системы в/из внешних БД или планарных файлов;

à   ввод новых данных в базы данных с административной консоли;

à   присоединение новых Java-модулей к системе.

Поиск по БД, входящим в систему BION, позволяет клиенту системы получить структурированную информацию, удовлетворяющую его входному запросу. Работа осуществляется пользователем в интерактивном режиме, что дает возможность немедленно произвести уточняющий запрос или запросить более глубокие данные по ссылкам, приведенным в БД системы BION.

Поиск методики определения загрязнителя производится системой BION по предварительным данным, полученным от пользователя. Клиент вводит в систему примерный качественный состав выброса в окружающую среду, и аналитическое программное обеспечение системы BION выдает рекомендации по методам биологического тестирования экосистемы.

Уникальной особенностью системы BION является, то что эта система содержит централизованную БД, полностью управляемую и контролируемую администратором с центральной консоли. Пользователь BION всегда получает самую актуальную информацию из БД системы, для чего ему не требуется никакого дополнительного программного обеспечения или записи обновлений БД. Преимуществом является также и то, что управляемые из одного пункта (владельца системы) БД системы BION гарантируют пользователю достоверность получаемой им информации.

Список литературы

1. Мур Дж., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах: контроль и оценка влияния. - М.: Мир, 1987.

2. Проблемы экологии Москвы. Сеть наземных измерений / Под ред. Е.И. Тупырева.- М.: Гидрометеоиздат. - 1992.

3. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей среды. - М.: Химия, 1989.

4. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. - М.: Гидрометеоиздат, 1984.

5. Биоиндикация и биомониторинг / Под ред. Д.А.Кри­волуцкого - М.: Наука, 1991.

6. Методические указания по биологическому анализу поверхностных вод. -М., 1987.

7. Биоиндикация загрязненных наземных экосистем / Под ред. Р. Шуберта. - М: Мир, 1988.

8. Биоиндикация в городах и пригородных зонах. // Сб. науч. ст. РАН. - М: Наука, 1993.

9. Мейер Д. Теория реляционных баз данных. - М.: Мир, 1987.

10.Тиори Т., Фрай Дж. Проектирование структур баз данных: В двух кн. - М.: Мир, 1985.