CScience: Ein integriertes Softwaresystem zur alters Modellbau

Original: http://www.cs.colorado.edu/~lizb/cscience.html

Projektbeschreibung:

Die kritische erste Schritt bei der Analyse von Paläoklima Aufzeichnungen wie Eis oder Sedimentkernen ist der Bau einer Zeit-Modell, das die Tiefe im einem Kern, um den Kalender Alter des Materials an dieser Stelle bezieht:

(Die Handlung beinhaltet oben Daten in W. Curry, T. Marchitto, J. McManus, D. Oppo, K. Laarkamp veröffentlicht, “Millennial angelegte Veränderungen Belüftung der Sprungschicht, mittleren und tiefen Gewässern des Gletscher North Atlantic” , in Mechanismen des globalen Klimawandels auf Millennial Zeitskalen AGU Geophysical Monograph Series, 1999)

Die Argumentation in alters Modellbau beteiligt ist komplex, subtil und wissenschaftlich anspruchsvolle, weil die Prozesse, die die Geschwindigkeit der Materialanhäufung im Laufe der Zeit zu kontrollieren, und dass der Kern zwischen Bildung und Probenahme beeinflussen, sind nicht bekannt. Im Allgemeinen sind diese Kurven monoton: tiefere Material älter ist. Aber dies ist nicht immer der Fall. Eine Vielzahl von Verfahren, wie Meeresboden Absacken und Gletscher Faltung kann Kerne mechanisch stören, aber. Dies kann beispielsweise, in dem jüngere Material tiefer in den Kern (vgl, die 20-40cm Bereich der Grundstücksgrenze oben) erscheint erstellen “Umkehrungen”. Verderblicher sind die Auswirkungen von Fehl wissenschaftlichen Annahmen, denen das Alter Bias-Modell auf subtile Weise, die schwerer zu erkennen sind. Zum Beispiel kann eine Annahme konstanter Meeresfläche 14C Reservoir Alter – sein Alter Offset von der vorübergehenden Atmosphäre – fehlerhaft sein und die resultierende Altersmodellfehler möglicherweise nicht offensichtlich, selbst zu einem Experten. Und hier werden die Dinge noch komplizierter, da die atmosphärische 14C Geschichte selbst ist aus Kerndaten abgeleitet und keine Grundwahrheit zu vertreten.

Geowissenschaftler nähern sich der alters Modellbau Problem, indem das Kern wie ein Tatort und die Frage zu stellen: “ Was physikalischen und chemischen Prozesse könnte diese Situation hervorgebracht haben, und was sagt das über die Timeline sagen, ” Die schiere Zahl der Möglichkeiten? jedoch in Verbindung mit dem Volumen und die Komplexität der Klimatologie Daten, die heutzutage verfügbar ist, stark den Umfang dieser Untersuchungen beschränken. Einfach gesagt, es ist immer viel schwieriger, alle möglichen Beziehungen, die, oder auch nicht, werden in den Daten lauern können zu prüfen.

Das Ziel des Projektes ist es, CScience diese Straßensperre zu entfernen. Sein Herzstück ist eine integrierte Software-Tool namens CSciBox, der Künstlichen Intelligenz (KI) Techniken, um das Wissen der Experten Klimatologen erfassen und bei den Benutzern erforschen die komplexen Hypothesen und große, heterogene digitale Datenmengen, die in alters Modellbau beteiligt sind beschäftigen wird. Seit Über Automatisierung eines so komplexen Aufgabe ist unklug, wirkt CSciBox als intelligenter Assistent, iterativ arbeiten durch Szenarien unter der Leitung von seinem Benutzer. Sein Ausgang wird eine Menge der möglichen Alters Modelle für einen bestimmten Kern zusammen mit einer vollständigen Beschreibung der Argumentation in ihrem Aufbau beteiligt sein.

Um den Rechenaufwand der Berechnungen an diesem Prozess beteiligt, und die schiere Menge und Heterogenität der Daten zu verarbeiten, bietet CScibox der Cyberinfrastruktur leistungsstarke, intuitive Tools auf dem Desktop eines Wissenschaftlers und dennoch die Vorteile der modernen verteilten Computing-Infrastruktur – einschließlich der Cloud. CScibox verwendet Software-Engineering-Techniken, um leistungsstarke Datenmanagement und Computerwerkzeuge zugänglich Wissenschaftler, ohne dass diese Experten-Programmierer zu werden zu machen. Es läuft auf Desktop-Maschinen, Arbeits `Behind the Scenes ‘, um die Berechnungen, die sie in gleichzeitigen, verteilte Arbeitsabläufe, die vollen Nutzen der modernen IT-Umgebungen festlegen zu verwandeln.

Die Mischung von aktuellen und zukünftigen Zeitformen in den beiden vorangegangenen Absätzen entspricht dem gegenwärtigen (September 2014) Zustand des Systems. Sie können den Code über die Links am Ende dieser Webseite herunterladen. Im Folgenden sind einige Screenshots und eine Beschreibung der Schritte in der Anwendung beteiligt; können Sie auch unten aufgeführten Video-Tutorials.

Hier sind wir mit CSciBox, um einen Kern namens PC08 mit zwei verschiedenen wissenschaftlichen Arbeitsabläufe zu analysieren: eine, die ein Reservoir Alter Korrektur gilt für die foram stamm 14C Altersgruppen und dann kalibriert die korrigierten Alter mit Hilfe der IntCal 2013 Kalibrierung, und eine andere, die das Reservoir überspringt Alter Korrekturschritt. Die kalibrierten Alter, die von diesen zwei Workflows führen sind zeigt als blaue Quadrate und rote Dreiecke sind. Dieser Kern enthält auch einige tiepoints aus Tephra abgeleitet, auf denen keine Korrekturen oder Kalibrierungen durchgeführt werden.

Die Spalten in der GUI können ausgeblendet werden, wie gewünscht; der Benutzer auf die Überschrift einer Spalte klicken, um die angezeigten Daten zu sortieren (in aufsteigender oder absteigender Reihenfolge) nach dieser Spalte. Die Kontrollen im Plot-Fenster verwendet werden, um jede Spalte (n) gegen eine andere plotten werden.

CSciBox speichern kann, die Verwendung und Anzeige beliebiger Anzahl und Art der Daten. Der Kerndatensatz in der Abbildung unten, zum Beispiel, enthalten Alters durch die Calib-Software (“Calib Altersspanne”) sowie Notationen über die Art des Materials, datiert, der Herkunft, und so weiter hergestellt:

Beachten Sie, dass CSciBox die Ergebnisse (“Calibrated 14C Age”) reihen sich schön mit Calib die Ergebnisse auf diesem Kern.

Eine wissenschaftliche Workflow, der auf den Daten handelt und liefert Ergebnisse wie kalibrierte 14C Altersgruppen – – Sie die Berechnung Plan-Browser, die Sie finden können, indem Sie auf “Tools” verwenden, wenn Sie sehen, welche Schritte in einem “Rechenplan ” beteiligt sind, wollen ganz oben links auf dem Bildschirm, dann mit Hilfe der Dropdown-Liste wählen Sie “Computation Plans Browser.” Sie werden einen Bildschirm wie diese:

Beachten Sie, dass CSciBox die Ergebnisse (“Calibrated 14C Age”) reihen sich schön mit Calib die Ergebnisse auf diesem Kern.

Eine wissenschaftliche Workflow, der auf den Daten handelt und liefert Ergebnisse wie kalibrierte 14C Altersgruppen – – Sie die Berechnung Plan-Browser, die Sie finden können, indem Sie auf “Tools” verwenden, wenn Sie sehen, welche Schritte in einem “Rechenplan ” beteiligt sind, wollen ganz oben links auf dem Bildschirm, dann mit Hilfe der Dropdown-Liste wählen Sie “Computation Plans Browser.” Sie werden einen Bildschirm wie diese:

Hier habe ich der neue Plan “NewPlan” genannt, dann klickte auf “Create New Method …” im Fenster “Create Computation Plan” und nannte die neue Methode “newMethod”, indem Sie in das Feld “Methodenname” im das Fenster “Create New Method”. (Wenn Sie hatte wollte nur eine geringe Änderung auf einen bestehenden Workflow zu machen – beispielsweise unter Verwendung eines anderen Eichkurve im CALIB Schritt des Plans im obigen Beispiel -. Sie würden nicht brauchen, um eine neue Methode erstellen Sie erst tun, wenn Sie verschiedene Schritte in einer anderen Reihenfolge als die vorhandenen Rechenpläne möchten.)

Im Fenster “Create New Method”, gibt es eine START-Box und ein Dropdown, die Sie unter CSciBox integrierten Tools (und eine Option, die das Ende des Plans identifiziert) auswählen können. Sie können diese Werkzeuge im einer Linear gewünschten Reihenfolge zusammengestellt; Wir werden auch Schleifenanlagen in einer späteren Version.

Hier ist, was der Bildschirm aussieht, wenn ich ein paar Schritte in den Plan hinzu:

Klicken Sie nun auf “Speichern”. Wenn Ihr einen neuen Plan ist eine Wahl in Bezug auf eine Kalibrierung oder andere Hintergrunddatensatz wird CSciBox Sie diese Wahl zu stellen:

CSciBox wird mit einer Reihe von Hintergrunddatensätzen ; Sie können eine neue mit der Option “Unterstützende Datensätze” unter dem Dropdown-Werkzeuge zu importieren. Es gibt ein Video-Tutorial dazu auf der Tutorials Seite unten aufgeführt.

Nach einem Klick auf “Fertig stellen” und “Weiter”, dass neue Plan wird in der Hauptrechen-Plan Browserfenster angezeigt (oben links, unten):

Es scheint auch, als eine der Möglichkeiten, wenn Sie den ‘laufen Berechnung “klicken. Es gibt ein Video-Tutorial über das Erstellen von neuen computatation Pläne auf der Tutorials Seite unten aufgeführt.

Die Software (~ 15.000 Zeilen Python-Code) ist öffentlich zu githum erhältlich. Sie können den Quellcode gibt es als Installationsprogramme für Mac (DMG) und Windows (exe) downloaden, wie gut. Sie können Video-Demonstrationen von CSciBox in Aktion zu finden, indem Sie hier. Wir haben nicht eine umfassende Bedienungsanleitung, noch nicht, aber diese Videos sind eine gute Einführung.

Eine vorläufige Version des KI-Engine ist auch vollständig und integriert in das System, aber wir haben gerade erst begonnen bevölkern seine Regelbasis mit Sachverstand. Die oben beschriebene Cyberinfrastruktur wurde entwickelt, um mehrere Arten von Kernen zu behandeln; wir sind in den Prozess der Prüfung der Flexibilität dieses Design durch das Hochladen und Bearbeiten ice-Kerndaten, die viele Größenordnungen größer als Meer-Sedimentkerndaten ist. Wir erwarten, dass diese Tests abgeschlossen bis Ende Sommer 2014, an welchem ​​Punkt werden wir eine Alpha-Testversion von CSciBox für die Verwendung durch Eis-Core-Modellierer zu lösen sein.

CSciBox wird nicht nur helfen Einzel Geowissenschaftler analysieren einzelne Kerne; es hat das Potenzial, den Bereich der Paläoklimatologie durch Erleichterung schnelle, reproduzierbare Analyse zu verwandeln – in den verschiedenen Sammlungen von Rohdaten in Datenarchiven der Informationen – und Synthese. Kreuzkorrelieren diese Rohdaten erfordert die Neufassung der damit verbundenen Chronologien über eine gemeinsame und konsequent aufgebaut Zeitskala. Das Volumen und die Heterogenität dieser Datensätze in Verbindung mit der Komplexität des zugehörigen Analyse ermöglicht, dass so gut wie unmöglich. Indem diese Art von Analyse möglich ist, könnte CScibox nicht nur helfen, besser zu verstehen Vergangenheit Klimawandel, aber auch Wissenschaftler unterstützen bei der Bereitstellung von Informationen zum Klima, die von den Entscheidungsträgern dringend benötigt wird.

Menschen:

Dr. Laura Rassbach, wer der Autor ACE Argumentation Motor war, ist die Anwendung dieses Wissens auf CScibox Herausforderungen.
Absolventen David Johnson, Jada Ballentine und Paul Givens haben CSciBox Code beigetragen, als Doktoranden John Klingner und Fernando Nobre haben.
Prof. Jim White ist die Eis-Core-Gehirne der CScience Projekt. Ph.D. Student Tyler Jones Lindsay hat eng mit der Informatik-Seite des Team arbeitete, hilft ihnen das Eis-Core Wissenschaft Recht.
Prof. Tom Marchitto ist der Ozean-Sedimentkern-Gehirne der CScience Projekt. Ph.D. Student Colin Lindsay hat eng mit der Informatik-Seite des Team arbeitete, er hilft ihnen, die Kunst und Wissenschaft von der Arbeit mit Meeressedimentkernen und Radiokarbon-Kalibrierung zu verstehen.
Prof. Ken Anderson ist die Software-Engineering-Gehirne der CScience Projekt.
Prof. Liz Bradley ist der Projektkoordinator und AI Blei.
Papiren:

L. Rassbach de vesine, K. Anderson, M. Zreda, C. Zweck und E. Bradley, “Forensic Reasoning über Paläoklimatologie”, die AAAI Fall Symposium auf Discovery Informatik, Arlington VA, November 2013.
Linken:

Die CSciBox github Seite, die sowohl den Quellcode und Installationsprogramme für Mac OSX (10.6 und höher) und Windows enthält (dank der Arbeit der Yeoman Fernando Nobre!).
Einige Demos und Tutorial-Videos. Wir haben nicht eine umfassende Bedienungsanleitung, noch nicht, aber diese Videos sind eine gute Einführung.
A Dezember 2014 EarthCube “cyber für Paläo” Webinar über CSciBox.
NOAA Weltdatenzentrum für Paläoklimatologie, eine riesige Sammlung von Klimaproxydaten.
Supporten:

Dieses Material basiert auf der Arbeit von der National Science Foundation unter Förderkennzeichen 1245947 mit dem Titel unterstützt basierte “INSPIRE / CREATIV:. Die Automatisierung Reasoning in Dolmetschen Klimaaufzeichnungen der Vergangenheit” Alle Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen in diesem Material sind die des Autors (en) und stellen nicht notwendigerweise die Ansichten der National Science Foundation reflektieren.

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