Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы создания математического и программного обеспечения для решения задач управления пространственными инженерными сетями 15
1.1. Задачи управления пространственными инженерными сетями 15
1.2. Проблемы автоматизации задач управления пространственными инженерными сетями 18
1.3. Анализ существующих ГИС и ГИС-технологий для решения задач управления пространственными инженерными сетями 20
1.4. Моделирование отношений между объектами пространственных инженерных сетей 28
1.4.1. Топологическая природа пространства цифровой карты 28
1.4.2. Модели пространственных данных в современных ГИС 30
1.4.3. Учет топологических отношений в ГИС 32
1.5. Цель и задачи исследования 40
1.6. Основные результаты и выводы по главе 42
Глава 2. Концепция построения инструментальной ГИС для управления пространственными инженерными сетями 44
2.1. Принципы построения инструментальной ГИС 44
2.2. Требования к инструментальной ГИС 45
2.3. Обобщенная структура инструментальной ГИС 47
2.4. Организация хранения пространственных и атрибутивных данных в ГИС 51
2.5. Организация доступа к данным в ГИС 53
2.6. Основные результаты и выводы по главе 55
Глава 3. Разработка модели данных инструментальной ГИС . 57
3.1. Подходы к формализации топологических отношений в моделях данных. 57
3.2. Принципы построения и структура модели данных инструментальной ГИС 58
3.3. Основные определения модели данных инструментальной ГИС 61
3.4. Теоретико-множественное описание отношений 66
3.4.1. Топологические отношения 67
3.4.2. Иерархические отношения 71
3.4.3. Ресурсные отношения 73
3.4.4. Логические отношения 75
3.4.5. Композиция отношений 76
3.5. Интегрированная модель данных ГИС 77
3.6. Проектирование структур для хранения данных модели 79
3.6.1. Использование средств автоматизации проектирования 80
3.6.2. Переход к модели «сущность-связь» 81
3.7. Анализ эффективности предложенной модели данных 85
3.8. Основные результаты и выводы по главе 89
Глава 4. Алгоритмическое обеспечение инструментальной ГИС 91
4.1. Общие положения 91
4.2. Алгоритмы анализа отношений 91
4.2.1. Общий алгоритм проверки корректности отношений 91
4.2.2. Алгоритмы проверки корректности топологических отношений вложенности и соседства 97
4.3. Алгоритм получения графового представления инженерной сети 101
4.4. Алгоритмы для решения прикладных задач управления пространственными инженерными сетями 106
4.4.1. Классы прикладных задач 106
4.4.2. Гидравлические расчеты инженерных сетей 107
4.4.3. Анализ переключений запорной арматуры и нахождения зон недоступности инженерных сетей 109
4.4.4. Вычисление товаротранспортной работы 111
4.4.5. Алгоритм локализации аварийных участков 115
4.4.6. Анализ эффективности генетического алгоритма решения задачи коммивояжера 126
4.5. Основные результаты и выводы по главе 131
Глава 5. Программное обеспечение инструментальной ГИС . 133
5.1. Разработка структуры ПО инструментальной ГИС для управления пространственными инженерными сетями 133
5.2. Особенности организации доступа к данным в системе 138
5.3. Подсистема формирования проблемно-ориентированных ГИС 139
5.3.1. Модуль настройки концептуальных отношений 140
5.3.2. Модуль проверки корректности отношений 143
5.4. Модуль отображения и редактирования картографической информации и технологических схем 144
5.5. Подсистема решения инженерных задач 147
5.6. Модули построения отчетов и экспорта данных 148
5.7. Подсистема поддержки принятия решений 149
5.8. ГИС «Магистраль» для управления сетями магистральных газопроводов 151
5.8.1. Задача создания проблемно-ориентированной ГИС для управления сетями магистральных газопроводов 151
5.8.2. Использование инструмента настройки отношений 154
5.8.3. Особенности системы «Магистраль» 157
5.8.4. Примеры решения задач управления магистральными газопроводами при помощи ГИС «Магистраль» 158
5.9. Основные результаты и выводы по главе 164
Заключение 165
Список использованных источников 168
Приложение 177
- Анализ существующих ГИС и ГИС-технологий для решения задач управления пространственными инженерными сетями
- Организация хранения пространственных и атрибутивных данных в ГИС
- Принципы построения и структура модели данных инструментальной ГИС
- Алгоритмы проверки корректности топологических отношений вложенности и соседства
Введение к работе
Технологическая революция последнего десятилетия в области вычислительной техники сделала возможным использование на простом офисном или даже портативном компьютере программных продуктов и технологий, которые ранее были под силу лишь мощным ЭВМ и рабочим станциям. Одной из таких шагнувших в производство и повседневную жизнь человечества технологий стало использование геоинформационных систем (ГИС). Помимо расширения круга пользователей ГИС сместились также и приоритеты решаемых с их помощью задач. Если ранее, помимо электронной картографии, основной сферой применения ГИС было проектирование пространственно распределенных объектов и стратегическое планирование их эксплуатации, то сейчас на первый план выходят задачи оперативного управления такими объектами с помощью ГИС, задачи оптимизации режимов их работы, анализа влияния этих объектов на окружающую среду и близрасположенные другие технологические объекты и т.д.
Одним из наиболее актуальных и динамично развивающихся сегодня направлений в геоинформатике является использование геоинформационного подхода в решении задач автоматизации управления пространственными объектами, структура которых может быть описана как сеть. К таким объектам относятся сети автомобильных и иных дорог, кабельные сети, сети тепло-, водо-, газо- и нефтепроводов и т.д. Все вышеуказанные объекты обычно называют инженерными сетями или сетями инженерных коммуникаций. Заказчиком на создание геоинформационной системы (ГИС) для решения задач управления инженерными сетями, в таком случае является предприятие, эксплуатирующее соответствующий тип сетей.
Несмотря на достаточно большое количество примеров применения ГИС-технологий в управлении сетями инженерных коммуникаций, описанных в литературе [2,14,26,63,65], необходимо отметить, что роль ГИС в них сводится чаще всего лишь к визуализации схемы сети на карте или плане местности. При
6 этом не учитываются возможности ГИС как инструмента пространственного
анализа для исследования связей инженерных сетей с окружающей средой и иной
инфраструктурой городов и населенных пунктов [38,39,41].
К настоящему времени у подавляющего большинства предприятий-заказчиков и фирм-разработчиков автоматизированных систем управления инженерными сетями созрело понимание того, что создание таких систем неактуально без использования в значительной степени ГИС-технологий, т.к. существенно сужается круг принципиально решаемых системами управления задач. Однако нет единого мнения о месте геоинформационной составляющей в рамках информационной системы для решения задач управления инженерными сетями.
Одной из причин является то, что большинство расчетных задач, решаемых при автоматизации процессов управления инженерными сетями, требуют помимо информации о пространственном положении и параметрах технологических объектов данные о структуре (топологии) сетей. Однако модели данных современных ГИС слабо приспособлены для описания топологических отношений объектов сетей в том объеме, какой требуется для адекватного представления инженерных сетей и решения соответствующих задач управления ими [14,25,61].
Все это говорит об актуальности проблемы создания ГИС для управления различными видами инженерных сетей, опирающихся на модели данных, включающие описание топологических и иных отношений между объектами сетей.
Общие черты, которыми обладают различные инженерные сети, а также общность задач, которые необходимо решать в процессе автоматизированного управления ими, говорят об актуальности создания такой инструментальной ГИС для управления инженерными сетями, которая позволяла бы легко реализовывать проблемно-ориентированные системы для управления конкретными типами сетей.
Цель работы и задачи диссертации. Целью диссертационной работы является создание алгоритмических и программных средств инструментальной ГИС для решения широкого круга задач управления сетями инженерных коммуникаций и апробация этих средств при разработке геоинформационной системы для управления одним из типов сетей.
Для реализации поставленной цели необходимо последовательное решение следующих задач:
Создание концепции построения инструментальной ГИС для управления ПРИС.
Создание и формализованное описание модели данных такой инструментальной ГИС, включая векторную топологическую модель данных, причем такая модель данных должна быть эффективна при анализе различных отношений между пространственными объектами ПРИС. Разработка на основе предложенной модели структур данных инструментальной ГИС.
Разработка алгоритмического обеспечения инструментальной ГИС. Это предполагает модификацию существующих и разработку новых алгоритмов функционирования создаваемой системы и исследование их эффективности.
Разработка программного обеспечения инструментальной ГИС. Результатом решения этой задачи должны явиться программные средства такой ГИС, реализующие созданные алгоритмы и опирающиеся на разработанную модель данных.
Апробация разработанных инструментальных средств при создании проблемно-ориентированной ГИС для управления одним из типов инженерных сетей.
Методы исследований. В работе использованы методы теории множеств, теории алгоритмов, теории графов и комбинаторики и теории моделирования.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Вторая региональная научно-техническая конференция студентов и молодых специалистов «Радиотехнические системы и устройства» (Томск, 1997г.), XXXVI Международная научная
конференция студентов и аспирантов «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, 1998 г.), И Российско-Корейский международный симпозиум по науке и технологии «Korus'98» (г. Томск, 1998 г.), III Российско-Корейский международный симпозиум по науке и технологии «Korus'99» (г. Новосибирск, 1999 г.), Международная научно-практическая конференция «Геоинформатика-2000» (г. Томск, 2000 г.), 4-я Всероссийская научно-практическая конференция «Геоинформатика в нефтегазовой и горной отраслях» (г. Тюмень, 2001 г.).
Созданные программные средства геоинформационной системы для управления магистральными газопроводами «Магистраль» экспонировались на ряде специализированных выставок и отмечены дипломами Межрегиональной выставки-ярмарки «Газификация-2001».
По результатам работы имеется 8 публикаций, в том числе 4 статьи.
Кратко изложим основное содержание работы.
В первой главе приводится определение пространственных . инженерных сетей (ПРИС), рассматривается классификация задач, возникающих при управлении ПРИС. Формулируется проблема автоматизации задач управления ПРИС.
Приводится анализ современного состояния проблемы применения ГИС-технологий в решении задач управления ПРИС. Показывается, что на сегодняшний день не существует однозначных подходов к решению обозначенной проблемы и актуальным является создание геоинформационной системы, ее решающей.
Приводится исследование проблемы моделирования отношений между объектами ПРИС и подходов к ее решению на основе различных топологических моделей данных ГИС. Делается вывод о том, что существующие модели данных ГИС недостаточно эффективны в описании отношений между объектами ПРИС.
На основе результатов проведенного анализа проблемы создания математического и программного обеспечения для решения задач управления ПРИС формулируются цель и задачи диссертационной работы.
Вторая глава посвящена изложению концепции создаваемой инструментальной ГИС для управления ПРИС.
Формулируются основные принципы построения такой ГИС. Определяются требования к ее функциональным возможностям. Предлагается обобщенная структура этой ГИС.
Приводится анализ подходов к организации хранения пространственных и атрибутивных данных в инструментальной ГИС и обосновывается применение интегрированного подхода и необходимости использования трехзвенной клиент-серверной архитектуры при организации хранения и доступа к данным.
В третьей главе описывается разработка интегрированной модели данных инструментальной ГИС для управления ПРИС.
Рассматриваются существующие подходы к формализации описания топологических отношений в моделях данных и обосновывается актуальность использования при этом более доступных средств математики, -=- например, аппарата теории множеств.
Формулируются принципы построения и предлагается структура интегрированной модели данных ГИС для управления ПРИС. Предлагается классификация отношений между объектами ПРИС, при этом выделяются основные типы отношений: топологические, иерархические, ресурсные и логические. Предлагается подход к описанию отношений различных типов между классами объектов (концептуальных) и экземплярами классов, композиций отношений.
Предлагается интегрированная модель данных, описывающая классы объектов ПРИС, ресурсы, распределяемые при помощи ПРИС, взаимосвязи классов и ресурсов, а также описывающая вышеперечисленные типы отношений между объектами. Приводится разработанное теоретико-множественное представление такой модели данных.
Приводится исследование топологических отношений между объектами ПРИС — соседства и вложенности, с выявлением их свойств и определением
формальных критериев их корректности, на основе чего предлагается теоретико-множественный подход к их описанию.
Предлагается технология, позволяющая на основе теоретико-множественного описания предложенной модели данных при помощи современных CASE-средств проектировать структуры данных ГИС для управления ПРИС.
Приводится анализ эффективности предложенной интегрированной модели данных и исследование влияния композиции ее концептуальных отношений, на основе ее сравнения с другими моделями пространственных данных, используемыми в современных ГИС.
В четвертой главе рассматривается два типа алгоритмов: поддерживающие корректность данных предложенной модели данных и алгоритмы, решающие ряд прикладных задач для управления ПРИС.
К алгоритмам первого типа относятся разработанный общий алгоритм анализа отношений между пространственными объектами векторной карты, позволяющий расширить традиционные функции пространственного анализа в ГИС, и алгоритмы корректности топологических отношений вложенности и соседства для пары пространственных объектов различных типов, учитывающие текущий масштаб редактируемой карты.
Ряд прикладных задач управления ПРИС необходимо решать на базе представления сети в виде взвешенного графа, поэтому рассматривается предложенный алгоритм построения ресурсного графа ПРИС на основе данных рассмотренной в главе 3 интегрированной модели данных.
Описываются оригинальные алгоритмы решения ряда задач управления ПРИС на ресурсном графе сети, таких как анализ переключения запорной арматуры, нахождение кратчайших путей, вычисления товаротранспортной работы сети в условиях дефицита продукта транспортировки.
Рассматривается разработанный алгоритм комплексного решения задачи локализации аварийного участка ПРИС с составлением оптимального маршрута выезда аварийной бригады и с учетом ограничения проходимости местности при
11 движении по маршруту. Анализируются методы решения задачи поиска
ближайшего соседа, как этапа вышеуказанного алгоритма, и обосновывается
применение для данного случая метода полного перебора.
Анализируются наиболее известные методы решения задачи коммивояжера, как этапа алгоритма составления оптимального маршрута выезда аварийной бригады, обосновывается возможность применения известного генетического алгоритма решения этой задачи.
Приведены результаты исследования эффективности генетического алгоритма по сравнению с алгоритмами полного перебора и случайного поиска. На основании сделанных по результатам исследования выводов предлагается адаптивный алгоритм решения задачи коммивояжера, использующий наиболее эффективный метод в зависимости от числа вершин графа.
В пятой главе рассматривается создание программных средств инструментальной ГИС для управления ПРИС, а также приводится пример использования созданного ПО при разработке проблемно-ориентированной ГИС «Магистраль» для управления сетями магистральных газопроводов.
Предлагается и описывается детальная структура ПО инструментальной ГИС для управления ПРИС, выявляются особенности организации доступа к данным в системе. В основе системы предлагается использовать ГИС-ядро, включающее выбранную в результате анализа стандартную библиотеку ГИС-функций Maplnfo МарХ.
Рассматриваются основные созданные программные средства ГИС: подсистемы и программные модули, в частности, подсистема формирования проблемно-ориентированных ГИС, модули отображения и редактирования картографической информации и технологических схем, подсистема решения инженерных задач, модули построения отчетов и экспорта данных, подсистема поддержки принятия решений.
Рассматривается разработанная объектно-ориентированная библиотека для работы с ресурсными графами, позволяющая на основе методов объектно-
ориентированного проектирования проводить описание ресурсных графов и решать на них ряд известных теоретико-графовых задач.
Рассматривается применение разработанных инструментальных средств при создании проблемно-ориентированной ГИС «Магистраль» для управления сетями магистральных газопроводов. Описывается адаптация и настройка инструментальной ГИС под управление сетями магистральных газопроводов, приводятся функциональные возможности системы «Магистраль», а также рассматриваются примеры решения задач управления магистральными газопроводами при помощи этой ГИС.
Указывается, что алгоритмические и программные средства ГИС «Магистраль» внедрены в ОАО «Томсктрансгаз» ОАО «ГАЗПРОМ».
Научную новизну полученных в работе результатов определяют:
Концепция построения инструментальной ГИС для управления ПРИС.
Интегрированная модель данных, позволяющая, в том числе эффективно оперировать описанием комплекса отношений различных типов между объектами ПРИС (топологических, иерархических, ресурсных и логических, а также композиций отношений), и ее теоретико-множественное описание.
Предложенные формальные признаки корректности бинарных топологических отношений вложенности и соседства и разработанные алгоритмы проверки корректности топологических отношений между пространственными объектами, учитывающие погрешность масштаба редактируемой карты.
Разработанный алгоритм вычисления товаротранспортной работы сети в условиях дефицита продукта транспортировки.
Разработанный алгоритм локализации аварийного участка сети с составлением оптимального маршрута выезда аварийной бригады.
Результаты оценки эффективности генетического алгоритма решения задачи коммивояжера, используемого при составлении оптимального маршрута выезда аварийной бригады.
Программное обеспечение инструментальной ГИС для управления ПРИС.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Практически значимыми являются созданные модели, методы, алгоритмы и программные средства инструментальной ГИС для решения задач управления инженерными сетями. Программные средства ГИС функционируют на компьютерах типа IBM PC под управлением операционной системе Windows NT. Объем исходного кода системы составляет более 7000 строк кода на языках Object Pascal и MapBasic.
Созданные программные средства были использованы для разработки проблемно-ориентированной ГИС «Магистраль», внедренной в ООО «Томсктрансгаз», дочернем предприятии ОАО «ГАЗПРОМ». Внедрение подтверждено соответствующим актом.
Личный вклад:
Постановка задач исследования и разработка концепции инструментальной ГИС для управления ПРИС выполнены автором совместно с Н.Г. Марковым.
Интегрированная модель данных ГИС для управления ПРИС и ее математическое описание разработаны лично автором.
Алгоритмическое обеспечение ГИС для управления пространственными инженерными сетями разработано лично автором. Постановки задач исследования эффективности предложенных алгоритмов и результаты исследования получены автором.
Разработка программного обеспечения инструментальной ГИС для управления ПРИС выполнены автором совместно с П.М. Острасть и B.C. Шерстневым, при этом структура этой ГИС, подсистема формирования проблемно-ориентированных ГИС, подсистема решения инженерных задач, подсистема экспорта данных и построения отчетов, разработаны лично автором.
Настройка и адаптация инструментальной ГИС при реализации проблемно-ориентированной ГИС «Магистраль» для управления магистральными газопроводами выполнены автором совместно с B.C. Шерстневым и П.М. Острасть, при этом настройка концептуальных отношений выполнена лично автором.
Основные положения, выносимые на защиту:
Созданная интегрированная модель данных позволяет по сравнению с другими моделями данных ГИС более эффективно описывать различного рода отношения между пространственными объектами инженерных сетей.
Разработанные алгоритмы проверки отношений позволяют поддерживать корректность данных об отношениях в рамках предложенной модели пространственных данных.
Созданные алгоритмические и программные средства инструментальной ГИС для решения задач управления конкретными ИРИС позволяют легко реализовывать проблемно-ориентированные ГИС.
Проблемно-ориентированная ГИС «Магистраль» позволяет эффективно решать прикладные задачи оперативного диспетчерского управления инженерными сетями, в том числе связанные с представлением сетей на топографических картах и технологических схемах с использованием расширенного набора функций для пространственного анализа.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Н.Г. Маркову за большую помощь в подготовке диссертационной работы, ценные замечания и советы. Автор также благодарит за плодотворные дискуссии кандидата технических наук П.М. Острасть, доцентов Томского политехнического университета, кандидатов технических наук Е.А. Мирошниченко, А.В. Сарайкина, Ю.Я. Кацмана, а также ассистента кафедры Вычислительной техники Томского политехнического университета Р.В. Ковина.
Анализ существующих ГИС и ГИС-технологий для решения задач управления пространственными инженерными сетями
Наиболее удобным для пользователя способом отображения структуры ПРИС и их связей с объектами окружающего пространства является графическое представление сети в одном или нескольких из перечисленных ниже видов. 1. Технологическая схема — внемасштабное графическое представление структуры сети, где узловые объекты представлены в виде условных знаков, а сегменты сети (например, участки трубопровода, дороги и т.п.) обозначаются линиями условной длины, соединяющими узлы. По такому представлению можно судить структуре сети и взаимосвязях ее объектов, но не о фактическом местоположении объектов в пространстве — географической привязке. Технологические схемы чаще всего используются в работе диспетчерских служб предприятий, эксплуатирующих ПРИС. 2. Для муниципальных инженерных сетей характерно использование графического представления сети в виде ее схемы на топоплане города (района, предприятия и т.п.). Информация о привязке объектов представляется в относительных координатах. Преимуществом такого представления является его масштабность (появляется возможность проводить измерения расстояний), возможность анализа соседства с окружающей городской инфраструктурой. 3. Предприятиям, эксплуатирующим ПРИС и имеющим территориально распределенную структуру, требуется наличие информации о фактическом географическом местоположении объектов сети [4,14,15,40,65,66].
Традиционно, наиболее наглядным и удобным способом задания пространственного положения объекта (иначе говоря, географической привязки), является нанесение его на топографическую карту [17]. Наиболее актуальным этот способ является для магистральных сетей, которые пролегают по обширным территориям, общей площадью до нескольких тысяч квадратных километров [2,4,45]. Очевидно, что информационная система, решающая задачи управления ПРИС, должна содержать функции визуализации и редактирования представления сети на картах, планах и схемах. Исторически сложилось, что заказчики и разработчики первых подобных систем стремились в первую очередь решить задачи паспортизации объектов сети и выполнения инженерных расчетов, необходимых для оперативного управления (диспетчеризации). Графическое представление сети ограничивалось технологической схемой или планом предприятия/города, с нанесенной на них схемой сети. Соответственно подобные системы могли решать задачи второго, третьего, а также, частично, первого класса, но совершенно не подходили для решения задач четвертого и пятого классов, в соответствии с классификацией, предложенной в п. 1.1. Такой класс информационных систем получил название AM/FM систем — Automation mapping/ Facilities management (автоматическое картографирование/управление коммуникациями) [72].
На современном рынке ПО представлено достаточно много систем такого класса для различных видов инженерных сетей. В качестве примера можно привести следующие наиболее распространенные системы. 1. «Система анализа функционирования магистральных газовых сетей» (МАГ). Фирма-разработчик: Отдел методов проектирования развивающихся систем ВЦ РАН [22]. Позволяет решать многие задачи, связанные с анализом функционирования газовых сетей, такие как нахождение оптимального потокораспределения, объема газа, товаротранспортной работы, кратчайших расстояний, статистического распределения недопоставок и др. К недостаткам системы можно отнести невозможность задания географической привязки объектов сети и проведения пространственного анализа, а также невозможность расширения набора функций и интерфейса в связи с закрытостью системы. 2. Система «ГАЗКАД». Фирмы-разработчики: GEOCAD Systems и АО "Аркада" (г.Киев). Основные функции: создание и ведение модели газовой сети города, гидравлический расчёт, анализ и отображение состояния газовой сети в результате гидравлического расчёта [1]. Недостатки: невозможность расширения типов объектов и набора атрибутов, задания географической привязки и, соответственно, проведения пространственного анализа. К настоящему времени стало очевидным, что AM/FM-системы могут решать лишь ограниченный круг задач и подходят, в основном, для моделирования работы сетей, территория пролегания которых необширна (масштаба предприятия, района города), т.к. отсутствует возможность представления сетей на топографических картах, а не только на планах и схемах. Обычно в основу таких систем положен мощный математический аппарат, позволяющий быстро производить инженерные расчеты, связанные с моделированием сетей гораздо большего масштаба. Следовательно, логичным этапом в эволюции этого класса ПО явилось бы функциональное наращивание этих систем геоинформационной составляющей, позволяющей работать с картами и географически привязанными планами различных масштабов. Примером систем с более выраженным блоком ГИС-функций могут быть муниципальные геоинформационные системы (МГИС) ведения коммунального хозяйства. Это наиболее широко распространенная на сегодняшний день категория информационных систем для решения задач управления ПРИС, насчитывающая десятки примеров готовых решений. Среди готовых решений наиболее интересными являются те, которые имеют возможность адаптации под конкретные задачи, наращивание функций и интерфейса [14,40]. Рассмотрим некоторые из подобных систем.
Организация хранения пространственных и атрибутивных данных в ГИС
При разработке модели данных инструментальной ГИС для управления ПРИС следует учитывать необходимость хранения и совместного использования данных о фактическом местоположении объекта (пространственная характеристика) и связанных с ними наборов атрибутивных данных (семантическая характеристика).
Существуют разные подходы к организации связи пространственных и атрибутивных данных об индивидуальном пространственном объекте. Однако для всех трех ниже рассмотренных вариантов организации хранения схема связывания пространственной и атрибутивной информации одна — через идентификаторы ID.
Первый подход, иногда называемый геореляционным, предполагает, что пространственный компонент организовывается по-своему, а атрибутивный — по-своему, между ними просто устанавливаются и поддерживаются связи через идентификатор объекта ID [39]. Пространственные данные хранятся отдельно от атрибутивных в своих файлах или системах файлов. Атрибутивные данные организованы в рамках реляционной модели данных в виде таблиц, которые управляются с помощью реляционной СУБД. Эта СУБД может быть встроена в программное обеспечение ГИС как его функциональная подсистема или может быть внешней по отношению к ГИС. Часто в универсальных ГИС (Maplnfo, Arc View, ARC/INFO и т.п.) реализуются оба варианта: есть простая встроенная в ГИС СУБД и возможно использование внешних СУБД для управления базами атрибутивных данных. Распространенность геореляционного подхода связана с тем, что в рамках других подходов трудно добиться одновременной оптимизации хранения и пространственных, и атрибутивных данных.
Второй подход — интегрированное (совместное) хранение обоих типов данных. В этом варианте предусматривается использование средств реляционных СУБД для хранения как пространственных, так и атрибутивных данных об объекте. В этом случае ГИС выступает как бы в качестве некоторой надстройки над СУБД. Этот вариант обладает рядом преимуществ по сравнению с первым подходом, особенно для крупных хранилищ данных, с которыми работают в активном многопользовательском режиме, когда существенной проблемой становится обеспечение целостности данных. К сожалению, современные реляционные СУБД мало подходят для работы с описанием пространственных объектов общего типа, отличных от точечных, поэтому приходится разрабатывать весьма сложные схемы хранения и алгоритмы оперирования пространственными данными о таких объектах.
Наконец, третий подход — объектный. Он обладает многими привлекательными сторонами, в особенности в части относительной легкости описания в нем сложных структур данных, взаимоотношений между объектами, иерархией объектов и возможностями решать многочисленные задачи инженерного моделирования в среде ГИС. Однако в чистом виде этот подход для большого числа решаемых задач с использованием ГИС не применим или применим с трудом. Гораздо более интересна модификация этого подхода: совместное использование реляционных СУБД и объектного подхода, ведущее к объектно-реляционной модели данных. Однако в этом направлении сделаны только первые шаги, перспективность его еще до конца неясна [39].
На наш взгляд, необходимость коллективного, доступа как к атрибутивным, так и к пространственным данным об объектах ПРИС ведет к тезису о том, что при создании модели данных ГИС для управления ПРИС более эффективным является применение второго подхода. Это обусловлено тем, что в случае интегрированного хранения атрибутивных и пространственных данных непосредственно на сервере (серверах, если распределенное хранение) баз данных, появляется возможность реализации дополнительной проверки на сервере (серверах) корректности топологических отношений в случаях редактирования описания связанных объектов разными пользователями.
Одно из сформулированных в п.2.2. требований к инструментальной ГИС гласит, что для успешного синхронного функционирования такой системы, установленной на разных уровнях иерархии организационно-производственной структуры инженерной сети или предприятия в целом, она должна иметь встроенные механизмы репликации и синхронизации данных между производственными подразделениями. Это подразумевает распределенную структуру БД и делает важным вопрос выбора способа организации клиент-серверного взаимодействия.
Информационные системы, созданные на основе классической архитектуры клиент-сервер, называемые двухзвенными системами или системами с "толстым" клиентом, состоят из сервера баз данных, содержащего сгенерированные тем или иным способом таблицы, индексы, триггеры и другие объекты, реализующие бизнес-правила данной информационной системы, и одного или нескольких клиентских приложений, предоставляющих интерфейс пользователя и производящих проверку корректности и обработку данных согласно содержащимся в них алгоритмам. Это усложняет технические требования, предъявляемые к аппаратной части клиентской рабочей станции, и, в конечном итоге, приводит к удорожанию всей системы в целом.
Выходом из этой ситуации является создание систем с так называемым "тонким" клиентом, в частности, с клиентом, не содержащим в своем составе драйверов баз данных и клиентской части серверной СУБД. В этом случае функциональность, связанная с доступом к данным (а нередко и какая-либо иная функциональность), возлагается на другое приложение, называемое обычно сервером приложений, и являющееся клиентом серверной СУБД. В свою очередь, клиентские приложения обращаются не непосредственно к серверной СУБД, а к серверу приложений, являющемуся для них источником данных. Такая архитектура клиент-сервер называется обычно трехзвенной [33].
При разработке инструментальной системы необходимо реализовать интеграцию с системой безопасности ОС, а также сделать большинство функций обмена данными независимыми от конкретной СУБД. Поэтому для выполнения этих условий предлагается использовать именно трехзвенную клиент-серверную архитектуру: сервер баз данных — сервер приложений — клиентское приложение (рис.2.3.). Такая идеология позволит также переложить большое количество функций клиента на сервер приложений, что, в свою очередь, позволит снизить аппаратные и системные требования к рабочему месту клиента.
Принципы построения и структура модели данных инструментальной ГИС
В соответствии с изложенными в п.2.1. принципами построения инструментальной ГИС для управления ПРИС модель данных этой ГИС должна быть максимально абстрагирована от частных особенностей конкретных видов ПРИС и должна иметь возможность легкой настройки и адаптации при создании той или иной проблемно-ориентированной системы для управления инженерными сетями выбранного типа.
В этой связи можно сформулировать первый принцип: модель данных инструментальной ГИС для управления ПРИС должна включать средства описания не только технологических объектов (их пространственных характеристик и атрибутов), но и описания предметной области в целом (описания классов объектов, атрибутов классов, назначение объектов в ресурсной сети и пр.). Следовательно, разрабатываемая модель данных должна являться результатом интеграции двух составляющих: метаданных (описания предметной области в целом) и предметной составляющей (значения атрибутов конкретных объектов ПРИС).
Второй принцип: модель данных должна включать в себя средства представления как пространственных, так и атрибутивных характеристик объектов ПРИС, причем в модели должна присутствовать возможность одновременного представления пространственных характеристик объектов ПРИС на нескольких разномасштабных картах и технологических схемах. В п.2.3. обосновано применение интегрированного похода для хранения данных этих типов.
Как было показано выше перспективным является подход, при котором не требуется создавать ГИС для управления ПРИС с нуля, а возможно использовать в качестве геоинформационного ядра системы современную библиотеку ГИС-функций. Тогда модель данных разрабатываемой ГИС для управления ПРИС можно строить как симбиоз векторной нетопологической модели данных этой библиотеки ГИС-функций и некоторой надстройки, позволяющей оперировать неметрическими отношениями между пространственными объектами. В качестве третьего принципа разработки модели данных создаваемой ГИС будем считать, принцип упомянутого симбиоза.
Отличие векторных топологических моделей пространственных данных от нетопологических состоит в наличии специальных средств описания топологических отношений между пространственными объектами. Однако, как показывает проведенный анализ, учет только топологических отношений недостаточен при представлении структуры ПРИС. Тогда четвертый принцип: модель данных ГИС для управления ПРИС должна описывать различные типы отношений между пространственными объектами. Поэтому предлагается подход к представлению в моделях данных ГИС комплекса отношений различных типов между пространственными объектами.
В рамках решаемой проблемы управления ПРИС нами предлагается выделить следующие типы отношений между объектами: топологические, т.е. те, которые вытекают из взаиморасположения объектов в топологическом пространстве, в частности, на местности; ресурсные, указывающие на то, что объекты связаны между собой выполнением функций по транспортировке какого-либо продукта (ресурса); иерархические, указывающие на то, что объекты находятся в отношениях «хозяин-подчиненный», «родитель-потомок», «целое-часть» и т.д.; логические - прочие виды отношений, определяющие взаимное влияние объектов друг на друга в рамках модели.
Как показывает практика, пространственные объекты ПРИС (особенно технологические) легко поддаются типизации: выделяются подмножества объектов, выполняющих одинаковые функции и обладающих одинаковым набором свойств, которые нужно учитывать при решении ряда прикладных задач. При этом отмечается, что объекты одного типа вступают, как правило, в одни и те же отношения с объектами других типов и между собой [43,85]. Следовательно, можно выделить в отдельную группу отношения между типами (классами) пространственных объектов. Такие отношения в дальнейшем, вслед за [21], будем называть концептуальными.
Любая пара типов или экземпляров объектов может находиться в отношениях более чем одного типа одновременно. Тогда нами предлагается говорить о композиции отношений.
Пятый принцип: модель должна давать возможность описания сразу нескольких ПРИС с разными транспортируемыми ресурсами.
И, наконец, шестой принцип: для формализованного описания интегрированной модели данных следует использовать выбранный в результате анализа математический аппарат теории множеств; при этом одни составляющие модели будем представлять как базовые множества, а другие — вводить через базовые операции над множествами, такие как объединение, пересечение, прямое произведение и т.д.
Суммируя вышеизложенные принципы можно предложить структуру модели данных инструментальной ГИС для управления ПРИС, схема которой приведена на рис.3.1.
Разработанную на основе этих принципов модель данных инструментальной ГИС для управления ПРИС с приведенной структурой будем в дальнейшем называть интегрированной моделью данных.
Алгоритмы проверки корректности топологических отношений вложенности и соседства
Процедура проверки корректности топологических отношений независимо от конкретного вида отношений в качестве входных данных использует множества описаний графических представлений проверяемых объектов на редактируемой карте в соответствии с условиями и ограничениями, накладываемыми на эти множества, согласно определениям, приведенным в п.3.4.1.
В зависимости от типа графических объектов (полигон, линия, точка) предложены различные способы проверки отношений вложенности, связности и других отношений. Рассмотрим наиболее сложные из них.
Так, на рис.4.2. приведена укрупненная схема разработанного алгоритма проверки топологического отношения вложенности для полигональных объектов.
Согласно Определению 3.11. отношение вложенности является корректным, если все внутренние точки множества геометрии описания графического представления вложенного объекта являются, в свою очередь, внутренними точками множества геометрии описания графического представления охватывающего объекта.
Основная идея алгоритма заключается в том, что отношение вложенности фиксируется по двум признакам: а) множество точек объекта, являющегося пересечением проверяемых на вложенность объектов, не является пустым; б) площадь результата пересечения больше площади вложенного объекта не более чем на заданную величину погрешности delta. На шаге 1 алгоритма (рис.4.2.) необходимо получить графический объект, являющийся пересечением графических представлений проверяемых объектов на редактируемой карте.
На втором шаге вычисляется площадь полученного в результате выполнения пересечения графического объекта. Функции нахождения пересечения пространственных объектов и вычисления площадей являются одними из самых распространенных функций современных ГИС.
На третьем шаге выполняется предварительная проверка: если площадь пересечения меньше нуля, следовательно, объекты не пересекаются и не могут находиться в отношении вложенности.
Если пересечение имеет место, то проверить является ли один объект полностью вложенным в другой можно сравнивая площади результата пересечения и вложенного объекта. Для этого на четвертом шаге вычисляем площадь вложенного объекта и на пятом шаге проводим соответствующую проверку: не превышает ли разница в площадях заданную величину погрешности.
Если это условие выполняется, то отношение вложенности корректно. Завершение работы алгоритма.
Этот алгоритм можно модифицировать и применять для других типов графических объектов. Так для полилинейных объектов вычисляются и сравниваются не площади, а длины результата пересечения и вложенного объекта. Для определения вложенности точечного объекта в полигональный или полилинейный объект необходима простая проверка неравенства нулю результата их пересечения. Некоторые комбинации типов объектов являются некорректными изначально, так, например, точечный объект не может являться охватывающим ни для полигона, ни для полилинии. Предварительная проверка осуществляется на шаге 3 алгоритма более высокого уровня (общего алгоритма проверки отношений), приведенного на рис.4.1., и позволяет отследить эти некорректные ситуации. Задачей рассматриваемого алгоритма является определение нужного варианта (сравнение площадей или длин) в зависимости от типа проверяемых объектов.
Рассмотрим идею, положенную в основу проверки корректности топологического отношения соседства. Критерием корректности топологического отношения соседства, в соответствии с Определением 3.10., считается существование хотя бы одной общей узловой точки в описаниях геометрии связываемых отношением объектов.
Следовательно, проверка корректности отношения соседства должна выполняться путем перебора всех узловых точек в описании геометрии одного и другого проверяемых на соседство объектов. Если находятся такие две узловые точки, принадлежащие разным объектам, что их координаты отличаются не более чем на заданную величину delta, отношение соседства считается корректным для проверяемой пары объектов. Поскольку различные типы векторных графических объектов (точка, полилиния, полигон) отличаются только числом узловых точек, алгоритм проверки отношения соседства не зависит от типа графического объекта. Вычислительная сложность этого алгоритма имеет квадратичную зависимость от количества узловых точек проверяемых объектов.
Таким образом, при редактировании графического представления объекта на топографической карте или технологической схеме, используя описанные выше алгоритмы, можно автоматически устанавливать (а при помощи общего алгоритма проверки корректности отношений и разрывать) топологические отношения между объектами, а также любые другие типы отношений, выступающие в композиции с топологическими.
Анализ показал, что современные ГИС, использующие в своей основе векторные топологические модели данных, содержат функции проверки корректности некоторых топологических отношений, однако алгоритмы, положенные в их основу, не учитывают погрешность, возникающую из-за разницы точности координатного представления и текущего масштаба редактируемой карты. Поэтому предложенные алгоритмы можно считать позволяющими более адекватно чем известные алгоритмы решать ряд задач в предметных областях, где используются ПРИС, т.к. их применение позволяет снизить количество ошибок, совершаемых пользователем при редактировании векторных карт и схем.
