Молекулярная спектроскопия Молекулярная спектроскопия
Guest | Паспорт
 Rus | Eng   
Словарь  |  Помощь
Отчет 2009


Продолжена работа по формированию информационных систем W@DIS и CaD@DIS. Система W@DIS дополнена более чем 200 решениями задач по определению параметров уширения и сдвига молекулы воды и решениями других задач опубликованными в 2009 году. Создана фактологическая часть базы знаний свойств решений задач спектроскопии молекулы диоксида углерода. Число фактов в базе знаний информационной системы CaD@DIS достигло более 200000.

В 2009 г. значительная часть работы была связана с созданием программного обеспечения. Полностью изменена система работы с библиографией, необходимой для формирования источников информации. Закончена работа по модификации системы ввода и отображения ссылок на публикации. Создана новая система представления меню и новый интерфейс для работы с табличным представлением данных. Подготовлены системы загрузки для решений задач спектроскопии закиси азота и аммиака. Создан веб-сервис для интеграции онтологий в распределенной сети задачей которого является сбор фактологической компоненты базы знаний в распределенной информационной системе W@DIS и CaD@DIS. Решена подчиненная задача сбора библиографических данных в распределенной сети. Завершено создание программного обеспечения по декомпозиции составных источников информации в узлах распределенной системы.

Объявленные ранее цели проекта:
Общая цель проекта: Создание информационно-вычислительной системы в области молекулярной спектроскопии, основанной на знаниях и представляющей результаты всех стадий создания данных и знаний – от измерений спектральных функций до нахождения фундаментальных спектральных характеристик вещества и от ab initio расчетов уровней энергии вещества до вычисления спектральных функций.

Цели годичного этапа, связь с основной задачей проекта:
Для достижения цели в плане работ на 2009 г. были выделены следующие задачи: проведение расчетов для молекулы воды (в части вычислений параметров уширения спектральных линий) и систематизация результатов вычислений по ряду молекул (диоксид углерода и аммиак,), проведение экспериментальных работ (вне рамок финансирования гранта) по изучению свойств СHF3, SiF4 с последующим размещением результатов исследований в созданной информационной системе и развитие программного обеспечения для сбора и систематизации результатов исследований в области спектроскопии воды, диоксида углерода и ряда других газов.

Расчеты

1. Размещение в ИВС W@DIS теоретического спектра H216O в ультрафиолетовом диапазоне длин волн 26000 - 35000см-1.
2. Создание экстенсиональной части ИВС CaD@DIS, содержащей решения обратных задач спектроскопии диоксида углерода (экспериментальные результаты) и их свойств.
3. Построение A-box'a базы знаний о спектральных свойствах молекулы углекислого газа.
4. Организация семантического поиска в распределенной информационной системе.
5. Создание Веб-сервисов для приложений из распределенной информационной системы "Атмосферная радиация".
6. Создание приложений по манипуляции параметрами спектральных линий, позволяющих создавать наборы данных, ориентированных на решение конкретных задач в области атмосферной спектроскопии и радиации.

Данные об измерениях

1. Данные о спектре молекулы СHF3 в мм-субмм диапазоне – измерения параметров уширения и сдвига давлением чистого газа и Ar.
2. Данные о солнечных спектрах атмосферы в ИК диапазоне
3. Данные об уширении линий атмосферных газов давлением буферных газов N2, O2, Ar, He, Xe, Kr, H2 при вариациях температуры
4. Данные о спектрах изотопных модификаций SiF4 и GeF4 в спектральном диапазоне 4500-500 см-1 с разрешением от 0,01 до 0,003 см-1.
5. Регистрация ИК спектров молекул типа симметричного волчка в чистых газах и газовых смесях. Определение коэффициентов уширения и сдвига линий.
6. Регистрация ИК спектров линейных молекул в чистых газах и газовых смесях при высоких давлениях

Информационные технологии и ресурсы

1. Обеспечение возможности формирования метаданных при загрузке данных и создания на их основе, после разметки OWL, базы знаний по молекулярной спектроскопии
2. Создание приложений по манипуляции параметрами спектральных линий, позволяющих создавать наборы данных, ориентированных на решение конкретных задач в области атмосферной спектроскопии и радиации.
3. Создание базы данных уровней энергии и переходов ряда молекул (H2O, H2S, O3 и др.), параметров спектральных линий, в том числе экспериментальных данных с Фурье спектрометра.
4. Построение прикладных онтологий молекулярной спектроскопии.
5. Семантический поиск в распределенной информационной системе.
6.Веб-сервисы для приложений из смежных предметных областей.

Ожидаемые в конце 2009 года научные результаты :

1. Размещение в ИВС W@DIS теоретического спектра H216O в ультрафиолетовом диапазоне длин волн 26000 – 35000 см-1.
2. Создание базы знаний о решениях обратных задач (задачи определения параметров спектральных линий) спектроскопии диоксида углерода.
3. Организация семантического поиска в распределенной информационной системе W@DIS и CaD@DIS с помощью автоматически генерируемых прикладных онтологий.
4. Предоставление веб-сервисов для приложений из распределенной информационной системы "Атмосферная радиация".
5. Исследования алгебры операций над источниками информации и создание приложений по манипуляции параметрами спектральных линий, позволяющих создавать наборы данных, ориентированных на решение конкретных задач в области атмосферной спектроскопии и радиации.
6. Построение прикладных онтологий молекулярной спектроскопии для молекул сероводорода и изоцианистой кислоты.

 Степень выполнения поставленных в проекте задач:
Большая часть планов на 2009 г. была выполнена. Ряд планов, касающихся работы с данными измерений, был выполнен частично. Это обусловлено рядом фактов, в первую очередь финансированием экспериментальных работ в институтах. Невозможность в получении экспериментальных данных компенсирована сбором опубликованных данных за период в 40 лет.

1. Размещение в ИВС W@DIS теоретического спектра H216O в ультрафиолетовом диапазоне длин волн 26000 – 35000 см-1.
На основе квантово химических расчетов из первых принципов проведено [1] совместное экспериментальное и теоретическое исследование колебательно-вращательных состояний молекулы воды до первого порога диссоциации. Впервые были получены данные о 44 новых колебательных состояниях и 366 колебательно-вращательных уровнях энергии, которые покрывают диапазон энергий 35508 - 41126 см-1. Полученные данные подготавливаются для ввода в ИВС.
2. Создание базы знаний о решениях обратных задач (задачи определения параметров спектральных линий) спектроскопии диоксида углерода.
Созданы фактологическая и терминологическая части базы знаний свойств решений задач спектроскопии молекулы диоксида углерода. Число фактов в базе знаний достигло более 200000. [2, 3]
3. Организация семантического поиска в распределенной информационной системе W@DIS и CaD@DIS с помощью автоматически генерируемых прикладных онтологий.
Семантический поиск информационных ресурсов, описывающих свойства состояний и переходов молекул воды и диоксида углерода, можно проводить в рамках типовых редакторов онтологий. Создан веб-сервис для интеграции онтологий в распределенной сети задачей которого является сбор фактологической компоненты базы знаний в распределенной информационной системе W@DIS и CaD@DIS. Решена подчиненная задача сбора библиографических данных в распределенной системе [4,5].
4. Предоставление веб-сервисов для приложений из распределенной информационной системы "Атмосферная радиация".
Созданные веб-сервисы внедрены в распределенную систему «Атмосферная радиация» (http://atrad.atmos.iao.ru, http://atmos.volsu.ru/doc/, http://atmos.physics.usu.ru/ )
5. Исследования алгебры операций над источниками информации и создание приложений по манипуляции параметрами спектральных линий, позволяющих создавать наборы данных, ориентированных на решение конкретных задач в области атмосферной спектроскопии и радиации.
Исследование операций над источниками информации не завершено. Требуется более детальное изучение частей источников информации. Первые приложения, использующие унарные операции (редукцию строк и столбцов массивов данных, канонизация источника информации и др.), работают в тестовом режиме. Начата работа над программным обеспечением реализующим бинарные операции.

6. Построение прикладных онтологий молекулярной спектроскопии для молекул сероводорода и изоцианистой кислоты.
Построена онтология свойств решений задач спектроскопии сероводорода и решений обратной задачи нахождения параметров спектральных линий молекулы воды [6-12].
Значительная часть работы в 2009 г. была связана с созданием программного обеспечения. Полностью изменена система работы с библиографией. Закончена работа по модификации системы ввода и отображения ссылок на публикации. Создана новая система представления меню и новый интерфейс для работы с табличным представлением данных. Подготовлены системы загрузки для решений задач спектроскопии закиси азота и аммиака.

    • Фазлиев А.З., Привезенцев А.И., Козодоев А.В. , Лаврентьев Н.А., Ахлёстин А.Ю. , Cs?sz?r A.G., Tennyson J. Информационная система «W@DIS», ориентированная на представление семантических метаданных в спектроскопии воды // Оптическая спектроскопия и стандарты частоты. Атомная и молекулярная спектроскопия. Коллективная монография под ред. Е.А.Виноградова, Л.Н.Синицы. Томск: Изд-во ИОА СО РА. 2009. С.432-443.
    • Лаврентьев Н.А., Привезенцев А.И., Фазлиев А.З. Информационная система CaD@DIS: переходы в молекуле CO2 // Труды 14 Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении». Часть 2. Иркутск: ИСЭМ СО РАН. 2009. С.86-92.
    • Лукьянов Н.М., Фазлиев А.З. Проверка достоверности данных по спектроскопии воды в распределенной информационной системе W@DIS // Материалы 16 Международного симпозиума «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы». Томск: Изд. Института оптики атмосферы СО РАН. 2009. 750с. C.45-48.
    • Козодоева Е.М. Система обмена данными и метаданными в распределенной информационной системе "Молекулярная спектроскопия" // Материалы XVI Международного симпозиума "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы". Томск: Изд. Института оптики атмосферы СО РАН. 2009. 750с. С.104-107.
    • Козодоева Е.М. Обмен информацией между узлами распределенной информационной системе "Молекулярная спектроскопия" // Труды Всероссийской суперкомпьютерной конференции “Научный сервис в сети Интернет: масштабируемость, параллельность, эффективность”. М.: Изд-во МГУ. 2009. 524c. С.505-507.
    • Козодоев А.В. Загрузка, операции над данными и их публикация в распределённой информационной системе «Молекулярная спектроскопия» // Труды Всероссийской суперкомпьютерной конференции “Научный сервис в сети Интернет: масштабируемость, параллельность, эффективность”. М.: Изд-во МГУ, 2009. 524с. С.501-504.
    • Tennyson J., Bernath P.F., Brown L.R., Campargue A., Carleer M.R., Cs?sz?r A.G., Gamache R.R., Hodges J.T., Jenouvrier A., Naumenko O.V., Polyansky O.L., Rothman L.S., R.A. Toth L.S., Vandaele A.C., Zobov N., Daumont L., Fazliev A.Z., Furtenbacher T., Gordon I.F., Mikhailenko S.N., Shirin S.V.IUPAC critical evaluation of the rotational–vibrational spectra of water vapor. Part I?Energy levels and transition wavenumbers for H217O and H218O // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 2009. V.110. P.573-596.
    • Jonathan Tennyson, Peter F. Bernath, Linda R. Brown, Alain Campargue , Michel R. Carleer, Attila G. Csaszar, Ludovic Daumont, Robert R. Gamache, Joseph T. Hodges, Olga V. Naumenko, Oleg L. Polyansky, Laurence S. Rothman, Robert A. Toth, Ann Carine Vandaele, Nikolai F. Zobov, Alexander Z. Fazliev, Tibor Furtenbacher, Iouli F. Gordon, Semen N. Mikhailenko, Boris A. Voronin, IUPAC Critical Evaluation of the Rotational-Vibrational Spectra of Water Vapor. Part II. Energy Levels and Transition Wavenumbers for HD16O, HD17O, and HD18O, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 2010 (в печати).
    • Maxim A. Koshelev, Mikhail Yu.Tretyakov, Collisional broadening and shifting of OCS rotational spectrum lines, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, v.110, p. 118-128
    • Fazliev A., Kozodoev A., Lavrentiev N., Privezentsev A., Tennyson J. Data and metadata schemes in chains of direct and inverse problems in spectroscopy of water // EGU General Assembly 2009. Geophysical Research Abstracts. 2009. V.11. EGU2009-10857. http://meetingorganizer.copernicus.org/ EGU2009/ EGU2009-10857.pdf
    • Fazliev A., Privezentsev A., Tennyson J. Semantic metadata application for information resources systematization in water spectroscopy // EGU General Assembly 2009. Geophysical Research Abstracts. 2009. V.11. EGU2009-10783. http://meetingorganizer.copernicus.org/EGU2009/EGU2009-10783.pdf

Полученные за отчетный период важнейшие результаты:
1. Собрана совместно с группой IUPAС [1,2] наиболее полная коллекция источников информации о молекуле воды и ее изотопомерах, включающая в себя решения основных обратных задач спектроскопии молекулы воды (более 550 источников). Решения обеспечены метаданными, указывающими на авторство и достоверность решений. Проверка на достоверность включает в себя проверки на ограничения существования опубликованных данных и ограничения на значения физических величин.
2. Создана система загрузки решений задач спектроскопии закиси азота и аммиака.
3. Собраны и частично распознаны около 1000 статей по молекулам парниковых газов (углекислый газ и метан), а также молекул аммиака, закиси азота, ацетилена, германа и силана, оксида углерода, молекулярного кислорода, изоцианистой кислоты, карбрнида сульфида и т.д.
4. Построены прикладные онтологии решений задач и их свойств в спектроскопии диоксида углерода и воды. Основным объектом исследования является источник информации о решении задачи и его свойствах. Число фактов в прикладной онтологии превышает 1200 000. [3, 4].

1. Jonathan Tennyson, Peter F. Bernath, Linda R. Brown, Alain Campargue , Michel R. Carleer, Attila G. Csaszar, Ludovic Daumont, Robert R. Gamache, Joseph T. Hodges, Olga V. Naumenko, Oleg L. Polyansky, Laurence S. Rothman, Robert A. Toth, Ann Carine Vandaele, Nikolai F. Zobov, Alexander Z. Fazliev, Tibor Furtenbacher, Iouli F. Gordon, Semen N. Mikhailenko, Boris A. Voronin, IUPAC Critical Evaluation of the Rotational-Vibrational Spectra of Water Vapor. Part II. Energy Levels and Transition Wavenumbers for HD16O, HD17O, and HD18O, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 2010 (в печати).
2. Tennyson J., Bernath P.F., Brown L.R., Campargue A., Carleer M.R., Cs?sz?r A.G., Gamache R.R., Hodges J.T., Jenouvrier A., Naumenko O.V., Polyansky O.L., Rothman L.S., R.A. Toth L.S., Vandaele A.C., Zobov N., Daumont L., Fazliev A.Z., Furtenbacher T., Gordon I.F., Mikhailenko S.N., Shirin S.V.IUPAC critical evaluation of the rotational–vibrational spectra of water vapor. Part I?Energy levels and transition wavenumbers for H217O and H218O // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 2009. V.110. P.573-596.
3. Fazliev A., Privezentsev A., Tennyson J. Semantic metadata application for information resources systematization in water spectroscopy // EGU General Assembly 2009. Geophysical Research Abstracts. 2009. V.11. EGU2009-10783. http://meetingorganizer.copernicus.org/EGU2009/EGU2009-10783.pdf
4. Привезенцев А.И., Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук, Томск, 2009

Степень новизны полученных результатов:
Представленные в ИВС W@DIS расчетные данные по изотопомерам молекулы воды (H217O, H218O, D216O и HD16O) содержат значения ранее не представленные в наиболее известных базах данных. Новизна состоит в методике сбора и представления данных, возможности автоматической проверки данных на ограничения существования и величины значений.

Новизна полученных результатов в построении ИВС связана с организацией данных и метаданных, позволяющих проводить логические выводы, используя источники информации о решениях и свойствах решений задач спектроскопии.

Впервые создана ИВС коллективного пользования в которой добавление любых решений задач молекулярной спектроскопии приводит к автоматическому вычислению значений ограничений, указывающих на достоверность источников информации и расчету среднеквадратических отклонений между всеми решениями задач хранящихся в базе данных и знаний.

Впервые проведен компьютерный анализ всех опубликованных решений задач спектроскопии воды и диоксида углерода на достоверность. Достоверность трактуется как проверка ограничений на значения и существование в рамках эмпирически сложившейся интерпретации отношения рефлексивности.

 Сопоставление полученных результатов с мировым уровнем:
Работы по формированию информационных систем в области атомарной и молекулярной спектроскопии проводятся уже более 30 лет. За это время созданы и актуализируются массивы данных в разных организациях США, Европы и России [1-13]. Первые объединенные усилия по созданию доступных в сети Интернет спектральных данных в Европе были предприняты в рамках проекта, приведшего к созданию международной виртуальной обсерватории. В США объединенных проектов не было, но банк данных Hitran во многом определяет направления развития прикладной атмосферной спектроскопии, а база данных спектров атомов, развиваемая в Национальном институте стандартов, является образцом для подражания.

В России объединительным проектом являлся проект РФФИ (Быков А.Д., Распределенная информационная система “Молекулярная спектроскопия”), приведший к созданию распределенной информационной системе с узлами в Томске, С.Петербурге и Нижнем Новгороде. Развитием проекта Быкова А.Д. является данный проект.

В 2009 г. получил поддержку проект 7 Рамочной программы «Virtual Atomic and Molecular Data Center». В проекте запланировано в качестве одного из вариантов инструмента публикации данных и информации использовать результаты работ, выполненных в рамках текущего проекта и проекта РФФИ «Распределенная информационная система “Молекулярная спектроскопия”». Однако проект VAMDC ориентирован только на сбор данных по спектроскопии, а проблемы описания свойств собранных решений в нем не затрагиваются. Среди свойств решений в нем выделены только свойства, относящиеся к ведению реестра информационных ресурсов.

Спектроскопические данные разделяют на данные относящиеся к атомарным [1, 2, 7, 13] и молекулярным спектрам [3, 4-6, 8-12]. Во всех перечисленных выше информационных системах реализован только слой данных и вычислений. Другими словами, эти системы содержат только базы данных и приложения для обработки и представления данных. Существует проблема интеграции данных в единую систему, для решения которой предлагаются основанные на идеологии XML языки описания спектральных данных. В нашем проекте инструмент интеграции ресурсов основан на прикладных онтологиях.

В ИВС W@DIS и CaD@DIS, развиваемой в данном проекте, реализованы все три слоя модели информационной системы, т.е. наряду со слоем данных, создан слой метаданных и онтологий. Впервые построена информационная система, в которой автоматически формируется база знаний свойств решений спектроскопических задач, позволяющая характеризовать достоверность предоставляемых пользователю данных на полном наборе опубликованных статей по спектроскопии воды. В части сбора данных работа выполнена совместно с группой реализующей проект IUPAC [14].

  1. The Vienna Atomic Line Database (VALD)
    http://ams.astro.univie.ac.at/~vald/
  2. An Atomic Database for Spectroscopic Diagnostics of Astrophysical Plasmas.
    http://wwwsolar.nrl.navy.mil/chianti.html
  3. Holger S.P. Muller, Frank Schloder, Jurgen Stutzki, Gisbert Winnewisser The Cologne Database for Molecular Spectroscopy, CDMS:a useful tool for astronomers and spectroscopists Journal of Molecular Structure 742 (2005) 215–227
  4. RO-VIBRATIONAL COLLISIONAL EXCITATION Database and Utilities http://basecol.obspm.fr
  5. B. Schmitt, P. Volcke, V. Gouan?re, E. Quirico, N. Fray, A. Pommerol, STSP: data bases of Spectroscopy and Thermodynamics of Planetary Solids, EPSC Abstracts, Vol. 3, EPSC2008-A-00560, 2008
  6. M. S. Dimitrievic, L. C. Popovic, E. Bon, V. Bajceta, P. Jovanovic and N. Milovanovic, DATABASE BelData: PRESENT STATE AND PLANS FOR FUTURE DEVELOPMENT http://adsabs.harvard.edu/abs/2000IAUJD...1E..33P
  7. TIPTOPbase, database service implemented to access the atomic data
    http://cdsweb.u-strasbg.fr/topbase/home.html
  8. The Carbon Dioxide Spectroscopic Databank (CDSD)
    http://cdsd.iao.ru and ftp://ftp.iao.ru/pub/CDSD-2008
  9. Spectroscopy & Molecular properties of Ozone
    http://ozone.iao.ru
  10. Spectroscopy of Atmospheric Gases
    http://spectra.iao.ru
  11. Spectral properties of hot combustion gases
    http://spechot.iao.ru
  12. HITRAN Database
    http://cfa-www.harvard.edu/HITRAN
  13. NIST Atomic Databases
    http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/index.html
  14. IUPAC project No.2004-035-1-100 “A database of water transitions from experiment and theory”
    http://www.iupac.org/web/ins/2004-035-1-100

Методы и подходы, использованные в ходе выполнения проекта:
Достижение цели проекта возможно лишь при совместной работе спектроскопистов с создателями информационной системы. В совместной работе задачами спектроскопистов является предоставление данных (измерения и расчеты) и экспертная помощь при формировании наборов метаданных, характерных для процедур вычислений и измерений.

 

 Задачами создателей информационно-вычислительной системы (ИВС) являются задачи формирования и анализа формальных понятий молекулярной спектроскопии и разделение их по функциональным признакам на данные и метаданные, задачи организации потока работ в ИВС и интерфейсов пользователя.

Новизна результатов измерений и расчетов обусловлена выбором молекул, спектральных интервалов для их исследования и степенью точности измерений и расчетов. Для расчетов используются вариационный метод для нахождения частот и коэффициентов Эйнштейна и полуэмпирические методы для нахождения параметров обусловленных столкновениями (столкновительных полуширин, сдвигов давлением и температурных зависимостей этих величин).

Информационная система построена в рамках 3-х слойной модели. Слой знаний сформирован с помощью языка представления знаний OWL DL. Для проверки состоятельности логической теории используется машина вывода FACT++.

Количество научных работ, опубликованных в ходе выполнения проекта: 28

Количество научных работ, подготовленных в ходе выполнения проекта и принятых к печати в 2009 г.:18



Грант INTAS 00-189