Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Территориально распределенные технические системы и задачи их пространственного моделирования 26
1.1. Системный анализ территориально распределенных технических систем 26
1.1.1. Системный подход к проектированию урбанизированных территорий 26
1.1.2. Организационная структура ТРТС и проблемы их информационного моделирования 36
1.1.3. Система энергоснабжения как один из видов ТРТС... 42
1.2. Задачи планирования развития ТРТС 45
1.2.1. Процесс развития ТРТС и роль проектных решений в этом процессе 45
1.2.2. Градостроительное проектирование ТРТС 53
1.2.3. Задачи пространственного моделирования в планировании работы предприятий 60
1.2.4. Пространственные аспекты в задачах планирования инвестиций 63
1.2.5. Проблемы моделирования процесса развития ТРТС и пути их преодоления 67
1.3. Существующие методы пространственного моделирования и
их применение при планировании развития ТРТС 72
1.3.1. Решение пространственных задач в системах экономико-математического моделирования и логистики... 72
1.3.2. Применение методов и средств геометрического моделирования САПР и ГИС для анализа территорий 75
1.3.3. Объектно-ориентированный подход и его применение в ГИС 82
1.3.4. Применение ГИС в энергетике 86
1.4. Цели и задачи диссертационной работы 90
1.5. Выводы 93
Глава 2. Разработка математических моделей и методов пространственного моделирования ТРТС 95
2.1. Формализация ТРТС для решения задач пространственного моделирования 95
2.1.1. Определение требований к математической модели пространственной структуры ТРТС 95
2.1.2. Математическая модель пространственной структуры ТРТС 97
2.1.3. Математическая модель задачи принятия решения...110
2.2. Модели и методы расчета расстояний и длин коммуникаций в городской среде 113
2.2.1. Использование расстояний в расчетах критериев оценки альтернатив 113
2.2.2. Понятие контекстной метрики 117
2.2.3. Расчет расстояний с использованием алгоритмов трассировки 122
2.2.4. Понятие нечеткой метрики 128
2.3. Территориально распределенные критерии 133
2.3.1. Понятие территориально распределенных критериев 133
2.3.2. Методы дискретизации пространства для получения территориально распределенных критериев 140
2.3.3 Использование территориально распределенных
критериев для сравнения альтернатив пространственной
структуры ТРТС 146
2.4. Методы пространственной оптимизации ТРТС 149
2.4.1. Поиск оптимальных вариантов размещения объектов 149
2.4.2. Многокритериальные задачи размещения объектов на территории 156
2.4.3. Методы снижения вычислительной сложности процедур пространственной оптимизации 159
2.5. Выводы 160
Глава 3. Разработка автоматизированной технологии поддержки принятия решения при проектировании пространственной структуры ТРТС 163
3.1. Общее описание разработанного автоматизированного технологического процесса 163
3.1.1. Место технологии в информационных системах предприятий и общие требования к ее реализации 163
3.1.2. Общая схема организации процесса моделирования.. 167
3.1.3. Подходы к внедрению и оценке эффективности использования технологии 169
3.2. Разработка концептуальной модели автоматизированной системы поддержки принятия решений 175
3.2.1. Методы проектирования и общая архитектура автоматизированной системы 175
3.2.2. Варианты использования автоматизированной системы 178
3.2.3. Концептуальные объекты 181
3.2.4. Выполнение запросов 186
3.2.5. Общая структура программного комплекса 188
3.2.6. Техническое обеспечение и размещение компонентов 189
3.2.7. Развертывание и эксплуатация автоматизированных систем 191
3.3. Практические методы получения пространственных моделей в процессе эксплуатации АСППР 193
3.3.1. Получение графических моделей сетей в процессе регистрации прав на недвижимость 193
3.3.2. Метод построения ТРК с помощью адресного геокодирования баз данных 196
3.4. Выводы 207
Глава 4. Разработка методов коллективного создания и использования пространственных моделей ТРТС 209
4.1. Методы и средства обмена пространственными моделями и данными между организациями 209
4.1.1. Источники пространственных данных и проблемы согласования моделей пространственных данных 209
4.1.2. Методика коллективного ведения пространственных моделей с использованием технологии Интернет-порталов 216
4.1.3. Реализация распределенных систем на базе архитектуры Microsoft.NET 224
4.1.4. Разработка форматов для обмена пространственными моделями 228
4.2. Разработка методов и средств коллективного редактирования пространственных моделей на уровне рабочих групп пользователей 231
4.2.1. Общие принципы организации работы с пространственными моделями на уровне рабочих групп пользователей 231
4.2.2. Методы реализации программных средств коллективного редактирования пространственных моделей234
4.3. Выводы 242
Глава 5. Разработка инструментальных программных средств пространственного моделирования и информационных систем на их основе 244
5.1. Инструментальное графическое ядро для создания систем пространственного моделирования 244
5.1.1. История развития инструментального программного комплекса ГИС WinPlan 244
5.1.2. Структура и функции программного комплекса Scale Objects 246
5.1.3. Реализация графического ядра Scale Objects 256
5.2. Методика создания прикладных программных средств пространственного моделирования на базе разработанного программного инструментария 261
5.2.1. Особенности разработки графических программных приложений 261
5.2.2. Методика эволюционного развития семейств графических программных приложений 263
5.3. Примеры практической разработки информационных систем предприятий и организаций 267
5.3.1. Разработка автоматизированных систем производственно-технического учета и планирования предприятий городских энергетических сетей 267
5.3.2. Разработка автоматизированной системы планирования развития схемы энергоснабжения города Иваново 270
5.3.3. Разработка технологии и программных средств инвентаризации объектов недвижимости 274
5.3.4. Разработка корпоративной информационной системы Комитета по земельным ресурсам и землеустройству города Иваново в технологии корпоративных Интернет-порталов .276
5.3.5. Разработка специализированных графических систем на базе ядра ГИС WinPlan 286
5.4. Выводы 288
Заключение по работе 290
Список литературы
- Организационная структура ТРТС и проблемы их информационного моделирования
- Модели и методы расчета расстояний и длин коммуникаций в городской среде
- Разработка концептуальной модели автоматизированной системы поддержки принятия решений
- Источники пространственных данных и проблемы согласования моделей пространственных данных
Введение к работе
Окружающий мир, в котором развивается современное общество, в значительной мере является искусственной средой, созданной человеком. Это особенно зримо проявляется на территориях современных городов, которые подвергаются активному воздействию со стороны людей и в то же время являются основной средой их обитания. Поэтому управление процессами развития городской территории - это важная задача различных органов государственного и местного управления, а также предприятий, ведущих на данной территории хозяйственную деятельность.
В соответствии с законодательством России каждый гражданин имеет право на обеспечение благоприятных условий проживания. Общие механизмы осуществления такого права изложены в Градостроительном кодексе РФ (Федеральный закон №73-Ф3), который определяет законодательные рамки регулирования отношений в области создания системы расселения, градостроительного планирования, застройки, благоустройства городских и сельских поселений, развития их инженерной, транспортной и социальной инфраструктур, рационального природопользования, сохранения объектов историко-культурного наследия и охраны окружающей природной среды. Одним из основных принципов политики российского государства, отраженных в данном законе, является принцип социальной справедливости и равных прав граждан при использовании ресурсов окружающей среды. Однако практическая реализация данного принципа сопряжена с существенными трудностями, которые, в частности, определяются крайне высокой сложностью управления территориями.
Территории современных городов и населенных пунктов с точки зрения я научных методов анализа можно рассматривать как
8 сложные, эволюционирующие, искусственные системы, которые, в
свою очередь, включают в себя множество других сложных систем разной природы. В этом множестве можно выделить класс систем, основной целью которых является распределение по территории энергетических, материальных и информационных ресурсов посредством использования инженерных сетей. К данному классу относятся системы энергоснабжения, водоснабжения, транспорта, связи и ряд других. В дальнейшем будем называть системы этого класса территориально распределенными техническими системами (ТРТС). Нельзя не отметить, что данные системы, кроме схожести целей, обладают другими общими признаками, такими как сходство пространственной структуры и процессов функционирования, это позволяет применять по отношению к ним общие методы исследования. Немаловажным фактором, определяющим необходимость совместного изучения и проектирования данных систем, является их взаимосвязь и взаимное влияние друг на друга в условиях функционирования на одной территории.
Развитие ТРТС происходит под воздействием множества факторов, среди которых существуют как целенаправленные воздействия со стороны различных управляющих субъектов (органов власти различного уровня, предприятий и организаций), так и случайные факторы и события. Это обусловливает большое число вариантов развития системы и превращает процесс управления территорией в последовательность принятия управленческих и проектных решений. Последствия таких решений могут влиять на качество жизни многих людей, проживающих и работающих на территории, определять перспективы ее развития. Поэтому такие решения должны приниматься на основе всестороннего анализа с использованием научных подходов и методов моделирования.
Одним из видов принимаемых решений является выбор мест
для размещения различных объектов на территории города. Анализ подобных решений приходится проводить на стадии предпроектных исследований властям и инвесторам. Каждое такое решение формирует пространственную структуру городской территории. Причем оно может влиять не только на ограниченный участок территории, на котором будут проведены определенные мероприятия, но и на общую картину распределения различных видов ресурсов по всей территории города. При этом попытки решения одних проблем могут косвенно порождать другие.
В настоящее время многие решения по развитию технической инфраструктуры городов, которые принимаются в рамках планирования отдельных мероприятий, не анализируются с позиций общей стратегии развития пространственной структуры города. Однако незначительные по масштабу решения, принимаемые в массовых размерах, могут аккумулироваться и приводить к качественным проблемам на уровне крупных районов города и к последующему неоправданному расходованию средств эксплуатирующих предприятий, населения и бюджетов разных уровней. В связи с этим приобретает актуальность тема разработки доступных для массового применения методов и средств моделирования, позволяющих повышать качество принимаемых решений по развитию ТРТС, полнее учитывать множественные факторы, влияющие на результаты выполнения предлагаемых планов развития ТРТС.
Вопросы моделирования пространственной структуры сложных ТРТС исследовались и продолжают разрабатываться учеными в рамках различных научных направлений и с разных точек зрения. Наиболее общие математические методы управления системами предлагает системный подход и планирование операций. Эта наука,
10 несомненно, составляет методологическую базу для проведения
любых исследований по рассматриваемой тематике. В работах отечественных ученых Ю.Б. Гермейера [1], Н.Н. Моисеева [2], В.Н. Буркова [3], Ю.М. Горского [4], И.В. Парангишвили [5], а также в трудах зарубежных авторов, среди которых можно отметить работы М. Месаровича [6] и Дж. Клира [7], рассмотрены различные методы моделирования сложных явлений и процессов на основе аппарата систем. Однако предлагаемые в системном подходе универсальные модели и методы имеют общий характер. Для того чтобы их можно было применять на практике, необходимо формализовать задачи предметной области и привести эти задачи к известным математическим методам решения, что является научной проблемой.
Еще одним научным направлением, в котором городская территория рассматривается как объект системного исследования, является архитектурно-градостроительное проектирование. В рамках этого направления решены многие проблемы моделирования и долгосрочного планирования развития ТРТС. Различные аспекты градостроительного проектирования рассмотрены в работах Ю.П. Бочарова и Г.И. Фильварова [8], Ю.С. Попкова [9], Л.Н. Авдотьина, И.Г. Лежава и И.М. Смоляра [10], В.А. Сосновского [11] и других авторов. Данное научное направление ориентировано на решение масштабных комплексных задач развития городов, которые прорабатываются специализированными проектными организациями. Оно успешно применяется и развивается в задачах разработки генеральных планов развития городов и территорий, но его методы трудно применимы в практике повседневной деятельности предприятий и органов местного самоуправления, когда принимаются конкретные решения по размещению отдельных объектов, перераспределяющих или потребляющих различные виды ресурсов.
Другим глубоко проработанным научным направлением является анализ режимов работы инженерных сетей. Вопросы моделирования процессов в сетях в настоящее время достаточно хорошо исследованы в рамках прикладных методов системного анализа и в САПР. В основе математических моделей в данном случае лежит представление сети в виде графа, который используется для построения системы топологических уравнений. Модели на основе графов в полной мере соответствуют требованиям задач анализа режимов работы существующих сетей, когда все характеристики участков сети известны. Однако их трудно применить для решения задач прогнозирования развития сетей и анализа динамики потребления ресурсов в различных точках территории при отсутствии точной технологической информации. Созданием, настройкой и использованием таких моделей могут заниматься только высококвалифицированные специалисты в рамках инженерной деятельности.
В отраслевых научных школах получены результаты по стратегическому планированию развития отдельных видов инженерных сетей на основе методов экономико-математического моделирования. В частности, в электроэнергетике можно отметить работы А.В. Дале, З.П. Кришая, О.Г. Паэгле [12], Д.А. Арзамасцева [13], Н.И. Воропая [14], в которых излагаются методы оптимального планирования развития структуры энергетических сетей. В них процесс развития ТРТС рассматривается с позиций оптимизации затрат на их строительство и последующую эксплуатацию объектов. Однако эти методы ориентированы на решение задач развития крупных энергосистем, когда масштаб задач позволяет абстрагироваться от конкретных особенностей размещения каждого объекта моделируемой ТРТС. При планировании развития сетей в условиях городской застройки данные модели становятся недостаточно адекватными. В
12 частности, они предполагают, что все геометрические характеристики объектов и их связей известны или несущественны. Но такие характеристики, как длина коммуникаций, в условиях дефицита места для прокладки коммуникаций на городской территории становятся переменными величинами. Их расчет требует применения специальных методов, в которых учитываются инженерные аспекты структурного синтеза сети. В научной литературе описание подобных моделей автору найти не удалось.
В настоящее время для моделирования ТРТС все активнее используются геоинформационные системы (ГИС), применение которых изучается в относительно новой синтетической науке - геоинформатике, которая тесно связана с картографией. В этой науке рассматриваются общие методы пространственного моделирования территориальных систем на основе специальных информационных моделей территории - цифровых карт. Данные модели комплексно отражают пространственные свойства территории и в сочетании с разработанными в геоинформатике методами преобразования и отображения пространственных данных обеспечивают решение типовых задач пространственного анализа. Среди трудов российских ученых в области геоинформатики наибольшую известность получили работы B.C. Тикунова, А.В. Кошкарева, Е.Г. Капралова [15-18], Ю.К. Королева [19], Ю.В. Цветкова [20].
Математический аппарат моделирования в ГИС в основном связан с проекционными преобразованиями, которые являются вычислительно сложным разделом картографии, классификацией пространственных объектов и моделированием топологических отношений между ними, с трехмерным моделированием рельефа и непрерывных полей. Методы математического моделирования, в которых используются модели, учитывающие специфику предметной
13 области, в ГИС рассматриваются как специализированные, выходящие за рамки обобщений этой науки. Задачи моделирования пространственной структуры ТРТС относятся к разделу таких специализированных методов. Для их решения в составе ГИС необходимо разрабатывать специализированные модели и методы пространственного анализа.
Одним из аспектов сложности ТРТС является их большая размерность. Вследствие этого при моделировании возникают проблемы сбора данных о пространственных объектах и их характеристиках, а также проблемы на уровне описания и практической реализации моделей в информационных системах. При решении задач моделирования на уровне города в условиях неполной и недостаточно точной для применения инженерных методов моделирования информации возникает задача снижения размерности используемых моделей. В геоинформатике задачи снижения размерности относят к разделу генерализации картографических изображений, решаемой в картографии. В рамках инженерных расчетов сетей в САПР их относят к задачам эквивалентирования, связанным с агрегированием элементов математических моделей на основе инженерных критериев. В том и другом случае общих и простых подходов к решению данных задач не существует, поскольку в них присутствует творческий элемент. Это также обусловливает специфику ТРТС и необходимость поиска решений на стыке различных научных направлений и методов моделирования.
Кроме научных аспектов математического моделирования предметной области, существует большой спектр организационно-технических проблем создания, внедрения и эксплуатации информационных систем, позволяющих на практике реализовать решение задач планирования развития ТРТС. Эти проблемы касаются науч-
14 ных изысканий в сфере разработки сложных программных комплексов и распределенных информационных систем. Более того, существует обратная зависимость, определяющая выбор математических моделей и методов в зависимости от возможности их эффективной реализации в рамках имеющихся технических, экономических и организационных условий в рассматриваемом секторе промышленности и управления. Поэтому разработка методов моделирования ТРТС должна рассматриваться в контексте современного уровня развития индустрии информационных технологий, а реализация разработанных методов в среде информационных систем является сложной научно-технической проблемой.
В России работы по автоматизации процессов принятия проектных решений на основе компьютерного моделирования комплексно и всесторонне развивались в рамках научных направлений САПР. Представители отечественной школы САПР И.П. Норенков [21], О.И. Семенков [22], А.И. Петренко [23], В.Е. Климов [24], Ю.Б. Бородулин [25], Д.А. Аветисян [26], А.И. Половинкин [27] и многие другие заложили основательную теоретическую базу, которая охватывает практически все разделы компьютерного моделирования. В настоящее время активно проводятся исследования в области интеграции САПР и информационных системам управления производством в рамках технологий поддержки жизненного цикла изделий (CALS). Однако вопросы применения потенциала САПР для решения задач пространственного моделирования ТРТС в сочетании с возможностями ГИС-технологий остаются недостаточно изученными.
Таким образом, несмотря на достижения в области пространственного анализа и моделирования ТРТС, имеющиеся в различных отраслях науки и информационных технологий, их практическое
15 применение ограничивается решением отдельных инженерных задач
или крупных задач планирования, выполняемых специализированными научно-производственными организациями. Для организации решения задач пространственного анализа и проектирования в рамках производственной, проектной и управленческой деятельности органов местного и регионального управления, а также предприятий городских инженерных сетей необходимо использовать комплексные подходы и методы, которые могут быть эффективно реализованы в существующих условиях работы этих предприятий. Данные подходы должны соединить научные методы пространственного анализа с технологическими решениями, доступными широкому кругу пользователей информационных систем.
Целью диссертации является разработка теоретических основ, моделей, методов и программных средств пространственного моделирования для поддержки принятия решений при планировании развития территориально распределенных технических систем.
Для достижения поставленной цели в работе поставлены следующие задачи:
Исследовать ТРТС с позиций системного анализа и сформулировать общие принципы пространственного моделирования данного класса систем.
Разработать математические модели и методы решения задач проектирования и анализа пространственной структуры ТРТС на этапах предпроектных исследований с использованием оптимизационных подходов.
3.Разработать автоматизированную технологию, позволяющую применять модели и методы пространственного анализа ТРТС на предприятиях и в организациях.
4. Разработать методы сбора, актуализации и коллективного
использования пространственных моделей в среде распределенных информационных систем при проектировании и эксплуатации ТРТС.
5.Разработать инструментальные программные средства пространственного моделирования ТРТС и методы их использования при создании информационных систем и специализированных программных приложений.
6. Обосновать практическую значимость применения предложенных методов и средств пространственного моделирования и анализа.
Для решения поставленных задач в диссертационной работе используются системология, теория САПР, методы объектно-ориентированного анализа и проектирования, теория множеств, математическая статистика, теория графов, теория и методы геоинформатики.
Работа выполнена на основе результатов исследований автора в области теории и методологии пространственного моделирования ТРТС, а также результатов практической деятельности коллектива сотрудников управления геоинформационных технологий Ивановского государственного энергетического университета (УГТ ИГЭУ), которым автор руководит на протяжении последних десяти лет с момента его создания. Теоретические результаты получены автором лично. Практические результаты получены в соавторстве при вы-полненеии различных научно-исследовательских работ. Вклад автора в получение практических результатов состоит в постановке задач на выполнение разработок, участии в проектировании и внедрении информационных систем, обобщении результатов реализации программных средств.
Первая глава работы посвящена обоснованию актуальности выбранного направления исследований, анализу ТРТС и процессов
17 их развития с системных позиций, выявлению задач поддержки
принятия решений на стадиях предпроектных исследований, анализу существующих методов и средств пространственного моделирования рассматриваемого класса систем. При этом определена роль геоинформатики и САПР как базовых научных направлений для разработки пространственных моделей ТРТС, поставлены конкретные задачи для разработки теории, методов и средств пространственного анализа и проектирования ТРТС.
В результате проведенного анализа ТРТС и существующих методов их моделирования определено, что одним из перспективных подходов к автоматизации процессов планирования развития ТРТС является создание пространственных моделей этих систем, агрегирующих различные аспекты их описания на основе объектно-ориентированных моделей данных. В качестве базовой технологии пространственного моделирования выбрана ГИС-технология. В сочетании с объектно-ориентированными методами анализа и проектирования (ООАП) она открывает широкие возможности для детального изучения сложных функциональных, структурных и других связей между объектами на городской территории и применения полученной информации при принятии проектных и управленческих решений. Однако решение задач пространственного моделирования ТРТС требует реализации в составе ГИС новых подходов и методов моделирования.
Для создания моделей ТРТС, обеспечивающих поддержку принятия решений, необходимо формализовать описание пространственной структуры ТРТС в терминах ООАП. Это подразумевает определение понятий пространственного объекта и класса пространственных объектов как элементов модели ТРТС, связей между элементами модели и основных функций моделирования. Данные тео-
18 ретические вопросы рассматриваются во второй главе книги. В ней
также приводится описание методов пространственной оптимизации ТРТС, в основе которых лежат идеи сведения оценки вариантов структурного синтеза ТРТС к оценке вариантов классификации участков территорий по сочетанию различных критериев. При этом факты размещения объектов на участках территории, пространственные ограничения и влияние планируемых решений на другие объекты представляются в пространственной модели через изменение параметров участков территории, образующих ее непрерывное покрытие.
Разработанные методы опираются на математический аппарат системного анализа и исследования операций и используют возможности геометрического анализа в среде ГИС и статистического анализа для снятия неопределенностей, обусловленных различием условий для прокладки трасс коммуникаций в месте планируемого проведения мероприятий по изменению структуры ТРТС. Одним из существенных факторов затрат на строительство и обслуживание элементов инженерных сетей является их протяженность и условия прокладки. При поиске решений на основе оптимизационных методов эти затраты нужно оценивать автоматически в процессе сопоставления вариантов структуры. В настоящее время такую оценку может дать только специалист на основе анализа конкретных ситуаций. Автором предложен метод качественной оценки расстояний прокладки новых коммуникаций в условиях городской застройки, основанный на применении алгоритмов трассировки с уточнением полученных результатов по данным статистического моделирования. Сравнение результатов расчета длин трасс методами автоматической трассировки с длинами уже имеющихся ранее проложенных трасс позволяет оценивать возможность применения тех или иных
19 алгоритмов трассировки и степень доверия к полученным результатам оптимизации.
Третья глава работы посвящена описанию методов и средств реализации автоматизированной технологии, обеспечивающей поддержку принятия решений по планированию развития пространственной структуры ТРТС в составе корпоративных информационных систем предприятий. Ввиду сложности ТРТС и необходимости учета различных аспектов их развития в настоящее время не представляется возможным создание технологий, обеспечивающих одновременный учет всех факторов развития данных систем. Более того, многие факторы учитываются на основе только субъективных оценок экспертов. Поэтому разработанные методы пространственного анализа и моделирования на практике предполагается использовать в составе комплексных систем поддержки принятия решений для расширения их возможностей. Реализация информационного и программного обеспечения подсистем пространственного моделирования и анализа имеет существенную специфику.
Для практического применения разработанной технологии в составе корпоративных информационных систем (КИС) разработана модель специализированного программного комплекса. В ней определены основные информационные объекты, используемые при реализации разработанной технологической схемы принятия решений, и их информационные связи. Разработанная модель обобщает структурные решения по реализации функций пространственного анализа и проектирования в составе КИС. Она может использоваться на начальных стадиях разработки КИС методом «сверху-вниз».
В силу специфики и масштабов рассматриваемого объекта технология его проектирования имеет определенные особенности. В частности, в связи с бесконечным жизненным циклом объекта про-
20 ектирования и непрерывным изменением требований к нему в процессе эксплуатации содержание и последовательность стадий проектных работ для отдельных элементов и системы и всей системы в целом различаются. Можно считать, что процесс проектирования этой системы представляет собой множества взаимно пересекающихся циклов разной длительности и глубины планируемых изменений. При этом в каждый момент времени проект ТРТС представляется в виде множества проектных документов, в составе которого могут быть генеральный план развития города, генеральная схема развития сети данной ТРТС, реализованные и не реализованные проекты отдельных объектов в составе ТРТС. Обычно все эти проектные документы хранятся в разных организациях и могут частично противоречить друг другу. Поэтому, наряду с вышеуказанными задачами системного анализа ТРТС в настоящее время существуют проблемы обеспечения информационного взаимодействия между предприятиями, которые используют пространственные данные.
При проектировании изделий в САПР данные проблемы решаются путем внедрения систем поддержки жизненного цикла изделий - CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support) и соответствующих стандартов. Для этих целей применяются также системы класса PDM (Product Data Management). В области информационной поддержки пространственного моделирования ТРТС проблемы коллективного использования моделей и электронных документов разными организациями имеют более разноплановый характер и пока не имеют однозначного решения. Это побуждает к поиску эффективных методов и средств сбора, хранения и обработки пространственной информации в распределенных информационных средах. Создание таких методов и средства в свою очередь является достаточно сложной научно-технической задачей. Разработке методов и
21 средств организации коллективного доступа к моделям пространственной структуры ТРТС на уровнях взаимодействия пользователей рабочих групп предприятия и КИС посвящена четвертая глава данной работы.
Предложенные автором методы организации распределенного хранения и обработки пространственных данных на уровне взаимодействия КИС разных предприятий и организаций города позволяют обеспечить гибкую и надежную схему обмена информацией о пространственной структуре разных ТРТС по сети Интернет. Методы опираются на современные технологии разработки корпоративных Интернет-порталов и использование сервисно-ориентированной архитектуры (СОА). В отличие от предлагаемых в настоящее время технологий централизованного управления процессами сбора и тиражирования пространственных данных, предложенные методы допускают возможность реализации децентрализованных и смешанных схем организации информационных связей между участниками процесса ведения общей модели ТРТС города.
В ряде случаев при работе с пространственными моделями требуется организовать поддержку коллективного редактирования моделей с согласованием работы в режиме «реального времени». Это потребовало поиска эффективных решений в области проектирования структуры объектно-ориентированных программных средств и организации обмена графическими данными в локальной сети. В работе изложены подходы и приведены модели программных средств, описывающие структурные решения по реализации средств многопользовательского доступа к графическим данным.
В пятой главе работы приводятся результаты практических разработок инструментальных программных средств пространственного моделирования и прикладных программных комплексов в
22 составе информационных систем предприятий и организаций. Рассмотренные в этой главе разработки выполнены под руководством автора в УГТ ИГЭУ и внедрены в различных организациях г. Иваново и других городов России.
В заключении сформулированы основные научные и практические результаты работы, перспективы ее развития и возможности для использования полученных результатов в других областях производства и управления.
Предпосылки для начала выполнения данной диссертационной работы были заложены в ходе исследований автора, посвященных автоматизации графических работ и геометрического моделирования в САПР электротехнических устройств. Эти исследования проводились по заданию 03.19.А Общесоюзной научно-технической программы 0.80.03 ГКНТ. Основные результаты диссертации были получены и использованы в ряде госбюджетных научно-исследовательских работ, которые выполнялись под руководством автора в ИГЭУ. Среди них можно выделить НИР:
«Разработка комплекса инструментальных программных средств для создания геоинформационных систем» (задание Минобразования РФ);
«Разработка методов и средств пространственного моделирования территориальных технических систем в распределенных информационных средах» (задание Минобразования РФ);
«Проектирование, создание и развитие геоинформационного
комплекса для системы управления вузом» и «Разработка и созда
ние интегрированной информационной среды, автоматизирующей
технологические процессы регистрации и анализа кадастровой ин
формации на объекты недвижимости Минобразования РФ» (про
грамма «Научное, научно-методическое, материально-техническое и
23 информационное обеспечение системы образования»);
«Разработка действующей распределенной региональной технологии сбора кадастровых данных по вузам, ссузам и профессионально-техническим учебным заведениям Минобразования РФ» и «Разработка методик аппаратно-программного обеспечения и технологий анализа состояния и эффективности использования земельных участков и объектов недвижимости образовательных учреждений» (программа «Федерально-региональная политика в науке и образовании»).
Кроме того, разработки автора по теме диссертации были использованы при выполнении НИР в период с 1993 по 2000 в рамках программ «Конверсия научно-технического потенциала вузов», «Университеты России», «Информатизация высшей школы».
Разработанная технология и реализующие ее программные средства внедрены более чем в 30 организациях г. Иванова и других городов России. К числу организаций, в которых осуществлены внедрения, относятся: Администрация города Иваново, Региональная энергетическая комиссия Администрации Ивановской области, ОАО «Ивановогоргаз», МУП «Ивгорэлектросеть», Филиал ФГУП «Ростехинвентаризация» по Ивановской области, Комитет по земельным ресурсам и землеустройству города Иваново, Волгоградский центр «РосдорНИИ», Областное государственное унитарное предприятие «Ивановский центр энергосбережения», Ивановское областное управление ГИБДД, Ивановский государственный университет. Результаты работы используются также в учебном процессе на кафедре программного обеспечения компьютерных систем ИГЭУ. Акты внедрения результатов работы в перечисленных организациях, а также акт регистрации в Роспатенте разработанного под руководством автора программного комплекса ГИС WinPlan приве-
24 дены в приложении.
Результаты диссертации обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии «Бенардосовские чтения» (Иваново, 1997, 1999, 2001, 2003);
Международной научно-технической конференции по компьютерной геометрии и графике (Н. Новгород, 1995, 1996);
Всероссийском форуме «Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес» (Москва, 1995, 1996, 2000, 2004);
Конференции «Геоинформатика и образование» (Москва, 1998);
9-й и 10-й юбилейной Всероссийской научно-технической конференции по графическим информационным технологиям и системам «Кограф 1999/2000» (Н. Новгород, 2000);
IV Международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика -2000» (Москва, 2000);
VIII, IX, X, XI Международной научно-технической конференция «Информационная среда вуза» (Иваново, 2000, 2002, 2003, 2004);
Международной научно-технической конференции «Традиции и перспективы подготовки торгово-экономических кадров в России. Формирование экономической культуры в условиях рыночных преобразований общества» (Иваново, 2000);
IV Всероссийской научной internet-конференции «Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках» (Тамбов, 2002);
Всероссийской научно-практической конференции «Человеческое измерение в информационном обществе» (Москва, 2003);
Всероссийской конференции «Геоинформационное и кадастровое
25 обеспечение задач управления и развития земельно-имущественных
отношений в городах России» (Череповец, 2004);
VIII Международной научно-технической конференции «Систем
ный анализ в проектировании и управлении» (Санкт Петербург,
2004).
V Международной конференции «Компьютерное моделирование
2004» (Санкт Петербург, 2004).
По теме диссертации опубликовано 70 научных работ, в том числе, 1 монография, 1 учебное пособие, методические указания, 11 статей в рецензируемых научных журналах и 30 статей в сборниках трудов и других изданиях. Кроме того, по теме диссертации опубликовано 8 отчетов о НИР, в 6 из которых автор являлся научным руководителем.
Организационная структура ТРТС и проблемы их информационного моделирования
Одним из важных факторов существования и развития ТРТС является неповторимость их пространственной структуры. Каждый населенный пункт имеет исторически сложившуюся уникальную конфигурацию объектов технической инфраструктуры (жилых зданий, предприятий, энергетических объектов, объектов социально-культурного назначения, элементов транспортных сетей и коммуникаций). Причем не только характеристики, но и взаимное положе ниє различных объектов на территории оказывают существенное влияние на многие процессы жизнедеятельности города. Поэтому решение задач пространственного анализа и размещения объектов является одним из наиболее важных элементов планирования развития инженерных сетей.
Основным видом планирования развития ТРТС на сегодня является разработка генеральных планов развития территорий и генеральных схем развития отдельных видов сетей, например генеральных схем развития электрических сетей. Заказчиками таких работ выступают органы власти. Однако развитие рыночных отношений привело к существенным изменениям роли органов государства и местного самоуправления. Они сегодня в основном определяют «правила игры», а многие решения принимаются с учетом интересов негосударственных инвесторов и предприятий. В этих условиях территории становятся местом столкновения политических и экономических интересов различных групп, которые при долгосрочном планировании своей деятельности могут выдвигать собственные цели и формулировать собственные критерии оценки принимаемых решений. Это приводит к менее предсказуемым последствиям процесса развития территории. При этом для организации поддержки принятия решений с учетом быстро изменяющихся условий необходимы оперативные и простые методы моделирования, которые будут доступны широкому кругу заинтересованных лиц и экспертов.
Как уже отмечалось, из-за сложности управления территорией, система ее управления организуется в виде иерархических организационных структур. Принципы организации управления в иерархических системах являются одной из областей теории систем. Эти проблемы и методы их решения подробно излагаются, например, в
В основе методов организации иерархических систем управления лежит делегирование полномочий от верхних уровней к нижним и координация деятельности систем нижнего уровня системами верхнего уровня на основе поступающей снизу информации. В практике деятельности городских служб по развитию ТРТС иерархический принцип управления в системе в чистом виде не применим. Существуют различные ведомственные вертикали управления, объекты в составе систем могут принадлежать разным собственникам и т.д. Это приводит к возникновению схем управления со связями, нарушающими иерархию. Тем не менее можно считать, что управление развитием ТРТС осуществляется одновременно на трех уровнях иерархической системы: административном, технологическом и потребительском.
Уровень административного управления организован на основе системы органов государственной власти и местного самоуправления. Целью деятельности этих органов является управление всей территорией в интересах большинства проживающего на ней населения. По отношению к ресурсам это выражается в обеспечении принципов социальной справедливости при распределении ресурсов и равных прав граждан на доступ к ним.
Технологический (ведомственный) уровень системы управления - это производственный уровень, включающий специализированные предприятия (субъекты хозяйственной деятельности), отвечающие за поддержание в определенных рамках технологического процесса распределения ресурса, эксплуатацию и модернизацию оборудования ТРТС. К таким предприятиям относятся предприятия энергетики и коммунального хозяйства города.
Модели и методы расчета расстояний и длин коммуникаций в городской среде
При решении задач пространственного анализа часто используются не координаты точек, а расстояния между точками или длины линейных объектов. Эти характеристики отражают метрические свойства пространственных объектов или отношений между ними (например, длина кабеля, соединяющего потребителя электроэнергии с трансформаторной подстанцией, площадь зоны обслуживания котельной, расстояния от строящегося объекта до ближайших источников энергоресурсов).
Поскольку в ТРТС длины объектов определяют их важнейшие технические и экономические характеристики, например электриче ские сопротивления участков ЛЭП, гидравлические сопротивления участков трубопроводов, стоимости строительства и обслуживания ЛЭП и трубопроводов, их расчет и варьирование является важной составляющей системы моделирования. В предыдущей главе было показано, что длины коммуникаций определяют величину затрат на строительство объектов ТРТС (см. выражение (1.4)).
Примеры постановки задачи с использованием такого формализма можно найти в многочисленных работах по системному анализу, в которых применяются модели транспортных сетей и минимизируются затраты на передачу потока ресурса от множества источников к множеству потребителей. Различные варианты таких задач рассмотрены, например, в [51]. В самом простом варианте классической постановки транспортных задач общие затраты на подключение нового здания к N системам энергоснабжения определяются выражением где ап - стоимость прокладки и эксплуатационные затраты длины на единицу длины участка п-то вида сети мощности потока wn; dn - длина участка прокладываемого от строящегося здания к ближайшим пунктам производства или распределения и-ого вида энергоресурса при мощности потока wn для «-го вида сети. Рассмотрим условия и возможности варьирования параметра dn в задачах оптимизации, а также проблемы его определения.
В классических постановках транспортной задачи и ее разновидностей обычно варьируется величина потока при заранее определенных расстояниях. В данном случае при выборе местоположения здания и фиксированных значениях потребляемых мощностей различных видов ресурсов варьируются координаты местоположе ния проектируемого здания и, как следствие, длины проектируемых участков сетей. Причем в большинстве случаев зависимость длины участка сети, соединяющего две точки в пространстве, не может быть представлена как алгебраическая функция координат.
При планировании развития энергетических систем в масштабе страны, когда речь идет о больших расстояниях, свойствами местности можно пренебречь, и расстояния вычисляют по прямой, соединяющей две точки на карте по теореме Пифагора
d =\ vx -1 = д/Oj -x2)2 + (yl-y2)2 . (2.21)
Эти расстояния называют воздушными, а метрическое пространство при задании такого способа измерений является обычным евклидовым пространством. Когда речь идет о городской среде, данный метод измерения расстояний становится неприемлемым. Соответственно неприменимы и методы поиска оптимальных вариантов размещения, основанные на использовании данного вида расстояний.
На рис. 2.3 приведен пример графического решения задачи по выбору места размещения электрической подстанции при строительстве комплекса зданий. Для упрощения в качестве единственного критерия, подлежащего минимизации, будем рассматривать длину кабеля, прокладываемого от ближайшей питающей подстанции (ввиду относительно малого размера самих подстанций будем использовать для отсчета расстояния точки центроидов их изображения на плане).
Разработка концептуальной модели автоматизированной системы поддержки принятия решений
Функциональная модель системы в выбранной нотации представляется в виде диаграмм вариантов использования. Эта модель позволяет выделить группы пользователей системы и их роли в системе. Укрупненная диаграмма вариантов использования АСППР приведена на рис. 3.2.
С точки зрения организации процесса функционирования системы, можно выделить три основных вида ее использования: 1) выполнение запросов, 2) поддержание актуального состояния моделей, 3) создание новых запросов.
Под запросами в данном случае понимаются любые действия с пространственной моделью ТРТС, инициированные в процессе использования системы. В процессе выполнения запроса могут использоваться различные процедуры анализа и преобразования пространственной модели, например, поиск оптимального варианта размещения объекта, анализ предложенного мероприятия и др.
Одним из принципов организации АСППР является разделение пользователей на группы и предоставление им соответствующих прав и ответственности в информационной системе. Пользователи АСППР в соответствии со своими функциями (ролями) и правами подразделяются на следующие крупные группы: Эксперты, ЛПР (руководители, принимающие решения, и специалисты по энергоснабжению); Пользователи (специалисты по ГИС, компьютерному моделированию и анализу); Разработчики (программисты, системные администраторы, специалисты в области баз данных, занимающиеся сопровождением и обслуживанием программного обеспечения и баз данных).
Эксперт является главным действующим лицом в системе. Он определяет цели и задачи работ, выполняемых в среде системы (инициирует запросы), анализирует результаты моделирования. При выполнении простых запросов на просмотр данных он может непосредственно взаимодействовать с системой. При выполнении работ, требующих преобразования и настройки моделей данных, выполнения специализированных расчетов и оформления отчетов, эксперт может обращаться к пользователю. Они совместно формируют запрос и приводят его к формальному к виду, пригодному для выполнения в АСППР.
К пользователям относятся специально подготовленные и обученные работе с программным комплексом сотрудники, имеющие знания, как в предметной области, так и в области компьютерной обработки информации. Пользователи выполняют всю технически сложную работу по проведению анализа, созданию отчетов и т.д. Кроме того, пользователи поддерживают базы данных, карты, схемы и другие модели в актуальном состоянии, обеспечивают поддержание АСППР в готовности к выполнению запросов. Граница между пользователями и экспертами довольно условна. В идеале эти роли должен выполнять один человек. Их разделение связано главным образом с недостаточным уровнем подготовки экспертов в области компьютерных технологий на сегодняшний день.
Источники пространственных данных и проблемы согласования моделей пространственных данных
Информационную основу разработанной технологии образуют модели пространственной структуры ТРТС. Способ организации этих моделей определяется объектно-ориентированным подходом. Элементами этих моделей являются пространственные объекты, описанные в виде классов. Пространственные объекты включают данные: координаты и атрибуты, а также программные процедуры (методы). Координаты отражают позиционные (геометрические) свойства объектов, атрибуты - описательные тематические свойства. Отношения между пространственными объектами в данной модели определяются через методы (инкапсулированные в объекты алгоритмические процедуры, которые автоматически выполняются при возникновении событий в системе моделирования) и с помощью специальных классов объектов, предназначенных для установления отношений типа «часть - целое» между ЭПО разных классов. Применение таких моделей вносит определенные особенности в организацию информационного обеспечения КИС. Кроме того, данные модели отличаются длительным жизненным циклом, большим объемом данных и высокой динамикой их обновления. Это обусловливает необходимость разработки специальных методов распределен ной обработки указанных моделей.
В силу целого ряда объективных причин на роль основного источника пространственных данных по ТРТС и интегрирующего звена для объединения данных по всем объектам, расположенным на территории города, наиболее подходит цифровой топографический план города, который создается средствами универсальных ГИС. Этот план может рассматриваться как агрегирующий объект, являющийся частью пространственной модели ТРТС. Причем этот объект должен присутствовать во всех моделях, применяемых в городе, и согласованно изменяться на различных предприятиях и в организациях.
В настоящее время в большинстве крупных городов России в том или ином виде имеются цифровые планы, созданные в среде коммерческих программных продуктов ГИС. Поэтому технологии обмена и коллективного использования этих данных не могут развиваться без учета возможности их создания и обработки в среде ГИС. Более того, всю систему пространственного моделирования ТРТС правильнее рассматривать как распределенную специализированную ГИС.
В литературе пространственные данные ГИС часто называют геоданными. В дальнейшем этот термин будет использоваться для обозначения пространственных данных, представленных в обменных форматах ГИС и не учитывающих особенности моделирования в предметных областях. Обмен геоданными между информационными системами связан с темой стандартизации форматов их представления. Несмотря на попытки стандартизовать форматы обмена геоданными, общепризнанных стандартов в этой области не существует. На практике обычно используют обменные форматы известных коммерческих программных продуктов, например MIF/MID программы Maplnfo, DXF/DBF от AutoCAD, Shape программы ArcView и т.д. Однако данные форматы позволяют передать только координаты и атрибуты объектов, но не их связи и тем более не поведение. При этом даже на уровне передачи атрибутов возникают проблемы, обусловленные возможным несовпадением классификаторов и справочников баз данных. Поэтому в любом случае организация обменов на уровне города возможна при установлении некоторых технологических соглашений между участниками обменов.
Различные варианты реализации систем коллективной работы с пространственными данными на уровне городов активно обсуждаются в России на протяжении многих лет в рамках конференций, организуемых ГИС-Ассоциацией (www.gisa.ru). На них обсуждались в том числе и работы УГТ ИГЭУ в данной области [133-136]. В настоящее время в ряде городов России ведутся работы по созданию организационных структур, обеспечивающих ведение единой цифровой карты города. Для этого используются централизованные схемы, в которых основная роль отводится специализированным предприятиям. Однако при этом возникает множество вопросов законодательного обеспечения и финансирования деятельности таких предприятий.
В условиях развития рыночных отношений выгода от взаимного обмена информацией является единственно надежной мотивацией для создания распределенных информационных систем. При этом участники процесса информационного обмена, контролирующие источники информации, должны четко осознавать свою выгоду от участия в данном процессе, которая может изменяться во времени, и оставаться независимыми от возможных недружественных действий партнеров
