Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование моделей данных, используемых в геоинформационных системах 14
1.1 Вопросы организации данных в ГИС. История развития. 14
1.2 Исследование использования ГИС - технологий на предприятиях 18
1.3. Информационные системы ВУЗов на базе ГИС технологий 29
1.4. Исследование моделей данных, используемых в ГИС предприятий 33
1.4.1. Модели пространственных данных 33
1.4.2. Модели атрибутивных данных 44
1.5. Анализ инструментальных систем 48
Выводы к главе 1 53
2. Применение клеточных моделей для унификации обработки объектов различной размерности 54
2.1 Клеточные модели 54
2.2 Объектно-ориентированная клеточная структура данных 65
2.3 Архитектура СУБД КЛЕТАЛ 70
2.4 Алгоритмы решения задач пространственного анализа на основе клеточных моделей 76
Выводы к главе 2 82
3. Методы использования и взаимодействия 2d и 3d моделей в гис предприятия 84
3.1. Обобщенная модель предприятия и информационные потоки 84
3.2. Принцип ведущей подсистемы 89
3.3. Проблема навигации по плоско-пространственной модели и ее решение на основе определителя геометрического объекта 92
3.4 Решение топологических задач на моделях смешанного типа 98
3.4.1 Поиск кратчайшего пути и вычисление длины участка сети 98
3.4.2 Проверка связности сети, поиск ближайших отсекающих устройств и анализ результатов переключений в сети 102
3.5 Использование клеточной модели при облете сцены 105
3.6 Матричный метод в организации интерфейса многослойных пространственных объектов 107
Выводы к главе 3 108
4. Геоинформационная система нижегородского государствен ного технического университета (ГИС НГТУ) 110
4.1 Архитектура ГИС НГТУ, реализующая принцип ведущей подсистемы 114
4.1.1. Подсистема "Кафедра" 127
4.1.2. Подсистема "Учебная часть" 130
4.1.3. Подсистема "Охрана труда и экология рабочих мест НГТУ" 132
4.2 Трехмерная навигация по плоско-пространственной модели НГТУ 134
4.3 Решение топологических задач на моделях смешанного типа 136
4.4 Развитие пользовательского интерфейса 139
4.5 Взаимодействие Интернет подсистемы с ведущей подсистемой 142
Выводы к главе 4 145
Заключение 146
Список литературы
- Информационные системы ВУЗов на базе ГИС технологий
- Архитектура СУБД КЛЕТАЛ
- Проблема навигации по плоско-пространственной модели и ее решение на основе определителя геометрического объекта
- Подсистема "Охрана труда и экология рабочих мест НГТУ"
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Последние события в мире заставили правительственные органы, предприятия коммунального хозяйства, и руководство всех крупных, средних и малых предприятий более тщательно оценивать возможности и надежность жизненно важных элементов инфраструктуры (электрические и газовые сети, водоснабжение, транспорт). Стало ясно, что очень важным является быстрый доступ к данным об инфраструктуре, с помощью Интернета или локальных компьютерных сетей. Приложения, которые могут снабжать такими данными, должны быть настраиваемыми под конкретные задачи, надежными и позволять быстрое их развертывание и использование. Они должны давать возможность визуализации различных взаимосвязанных данных, включая сведения о сотрудниках предприятия, поэтажные планы, местоположение материальных ценностей, маршрутов эвакуации, потенциально опасные места.
Ведущие поставщики ГИС широко предлагают инструментальные среды для построения системы информационной поддержки жизнедеятельности предприятия и решения задач управления. Но реальных примеров реализации подобных проектов в России очень мало, т.к. недостаточно проработаны ГИС-технологии в проектах крупных предприятий, не разработаны технологии представления модели предприятия, учитывающей сложности его структуры и открытый характер взаимодействия его элементов.
Причин для этого несколько. Одна из них заключается в том, что в геоинформационных системах предприятий необходимо применение трехмерных моделей, в то время как традиционными для ГИС-систем являются двумерные модели и представление пространственной информации в виде плоских слоев. Так, инженерные системы трехмерны, примером тому коммуникации, особенно таких предприятий как нефтеперерабатывающие и химические заводы. Применение трехмерного моделирования необходимо и для решения инженерных задач: поиска кратчайшего пути (проектирование автодорог, линий электропередач, нефте- и газопроводов), определения связности сети (инвентаризационные работы и управление инженерными сетями).
В настоящее время функции пространственного (3D) анализа в геоинформационных системах все еще недостаточны. Это не позволяет решать задачи, связанные с топологией трехмерных объектов, визуализацией и моделированием объемов, таких как: определение объемов земляных работ; моделирование размещения и эксплуатации объектов промышленного и хозяйственного назначения, объектов застройки; оптимальная прокладка коммуникаций среди других существующих, обнаружение и анализ коллизий; выполнение пространственных запросов, отображающих объекты многоэтажных зданий с моделями помещений и коммуникаций. Большинство инженерно-хозяйственных задач в пределах предприятия точно решаются лишь на базе трехмерных моделей.
Следующей причиной является необходимость комбинирования 2D и 3D моделей в решении инженерных задач. Ведущими поставщиками ГИС и САПР, в частности фирмой Autodesk, предлагаются инструменты для создания гибридной ГИС-САПР информационной системы. Они позволяют использовать в прикладной геоинформационной системе не только двумерные, но и трехмерные модели объектов, но аппарат решения топологических задач не рассчитан на взаимодействие 2D и 3D моделей. Тем не менее, такое комбинирование необходимо. Так в ряде задач удобно использовать сочетание трехмерного представления и планов. Например, двумерное представление участков трубопровода на поэтажных планах и трехмерное моделирование стояков между этажами. Сочетание 2D и 3D моделей требуется при представлении конечных результатов проведенных исследований, например, тематические карты планов помещений и тематическое трехмерное отображение подземных коммуникаций. Так как существует круг задач, для решения которых двумерное представление достаточно, то сочетание 2D и 3D моделей позволяет избежать необоснованной сложности при информационной насыщенности объектов предприятия. Даже на таком предприятии как ВУЗ только в одном учебном корпусе находятся тысячи элементов трубопроводных, электрических и телекоммуникационных сетей и приборов. Их только трехмерное представление может предъявить инструментальной системе неразрешимо высокие требования. Так же следует отметить, что на 2D моделях построена существенная часть задач корпоративных предприятий и 2D представление может и должно стать основой Internet/Intranet варианта ГИС.
Таким образом, создание эффективной информационной модели, позволяющей построить геоинформационную систему предприятия на базе трехмерных моделей, а также разработка методов использования и взаимодействия 2D и 3D моделей в ГИС предприятия являются актуальными. При построении комбинированной двумерной и трехмерной модели предприятия возникают следующие проблемы: рациональной навигации по сложноструктурированной модели предприятия; множественности представления одного объекта в разных подзадачах и моделях.
В данной работе предлагается два пути решения задачи сочетания 2D и 3D моделей: 1)создание информационной модели геометрических данных, инвариантной к размерности объекта; 2)разработка методов и алгоритмов совместной обработки 2D и 3D объектов.
Предметом исследования являются методы построения геоинформационной системы предприятия на основе трехмерных моделей.
Цель работы:
Создание теоретических и методических основ построения геоинформационной системы предприятия на базе двумерных и трехмерных моделей.
Для реализации этой цели рассматриваются следующие задачи:
1. Разработка теоретических аспектов создания геоинформационных систем на основе клеточных моделей, оперирующих с одномерными, двумерными и трехмерными представлениями трехмерных объектов: исследование информационных моделей, моделей данных, используемых в геоинформационных системах; исследование клеточных комплексов, инвариантных относительно размерности объекта, и возможности их эффективного информационного моделирования; развитие структуры данных клеточной модели, основанной на определении клеточного топологического комплекса; разработка геометрической объектно-ориентированной СУБД на основе клеточной модели; разработка алгоритмов решения задач геоинформатики на основе клеточных моделей.
2. Разработка методов и специальных программных средств совместной обработки и взаимодействия 2D и 3D моделей пространственных объектов в ГИС предприятия: -построение обобщенной информационной модели предприятия и анализ информационных потоков для определения оптимальной структуры системы; -разработка архитектуры ГИС предприятия, основанной на принципе ведущей подсистемы с общей внешней базой данных, и специального графического интерфейса; -разработка алгоритмов решения топологических задач и метода навигации на комбинации 2D и 3D моделей.
3.Реализация геоинформационной системы предприятия, построенной на взаимодействии 2D и 3D моделей.
Методы исследования. Поставленные в работе задачи решаются методами системного анализа, теории функций и функционального анализа - раздел: теория множеств, метрические и топологические пространства; методами начертательной геометрии, дискретной математики и компьютерной графики.
Теоретической базой настоящего исследования явились основополагающие работы: 1) по гомотопической топологии -А.Т.Фоменко, Д.Б. Фукса, В.А. Рохлина др.; 2) по начертательной геометрии: Н. Ф. Четверухина, С.А. Фролова др.; 3) по геоинформационным системам: B.C. Тикунова, Е.Г. Капралова, А.В. Кошкарева и других отечественных и зарубежных ученых.
Научная новизна выполненного исследования состоит в следующем:
Построена информационная модель клеточного комплекса и система операций, обеспечивающая ее функционирование как основы клеточной СУБД.
Разработана объектная модель представления клеточного комплекса, позволяющая построить инвариантные к размерности объекта алгоритмы обработки одномерных, двумерных и трехмерных объектов.
Разработаны алгоритмы решения задач геоинформатики на клеточных моделях: "Установка прозрачности элементов клеточной оболочки", "Расчет земляных работ", "Клеточная локальная модификация триангуляции", обладающие полнотой описания трехмерной топологии и общностью обработки одномерных, двумерных и трехмерных объектов.
4. Предложен новый, в практике геоинформационных систем, метод комбинирования двумерных и трехмерных моделей (использование плоско-пространственной модели) для построения ГИС предприятия. В результате, модель коммуникаций здания представляет комбинацию трехмерных стояков с плоскими моделями коммуникаций на этажах (как на исходных поэтажных планах). Построенная таким образом плоскопространственная модель зданий позволяет решить базовые прикладные задачи трехмерной ГИС быстрее и проще, т.к., такая модель сохраняет низкий объем пространственной информации, соизмеримый с двумерным. Метод включает: алгоритмы решения топологических задач на комбинации 2D и 3D моделей; метод определителя трехмерного геометрического объекта для трехмерной навигации по плоско-пространственной модели зданий и территории; архитектуру системы, основанную на принципе ведущей подсистемы, сопровождающей двумерные и трехмерные подсистемы, с общей внешней базой данных.
Практическая ценность. В результате выполненного исследования: созданы теоретические и методические основы для реализации геоинформационной системы предприятия на базе трехмерных моделей и их комбинации с 2D моделями. Практическую ценность представляет информационная модель клеточного комплекса, представленная в виде клеточной СУБД, позволяющая решать задачи трехмерного пространственного анализа, широко используемые структуры данных, -триангуляция, диаграмма Вороного, регулярное разбиение, - являются частными случаями клеточной структуры данных.
Унификация интерфейсов клеток различной размерности, унификация структуры нульмерных, одномерных, двумерных и трехмерных клеток позволяет построить общие, вычислительно инвариантные, относительно размерности объекта, алгоритмы обработки одномерных, двумерных и трехмерных объектов.
Практическую ценность представляет метод комбинирования двумерных и трехмерных моделей для построения ГИС предприятия. Этот метод позволяет быстро построить простую и адекватную модель на базе имеющихся поэтажных планов. Комбинированная 2D/3D модель предприятия при компактности хранения позволяет более точно по сравнению с двумерными моделями решать на ней базовые прикладные задачи.
Теоретические результаты диссертационной работы реализованы в геоинформацонной системе НГТУ, построенной на взаимодействии 2D и 3D моделей. Система включает локальный и Internet компоненты для решения инженерно-хозяйственных задач и задач управления на уровне ректората, деканатов, кафедр. Результаты внедрены также в учебный процесс в составе спецкурса "Основы геоинформационных систем".
Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований были доложены и обсуждены:
На IX, X, XI Всероссийской научно-практической конференции по графическим информационным технологиям и системам "Кограф-1999" , "Кограф-2000", "Кограф-2001" - Нижний Новгород, 1999, 2000, 2002гг.
На VIII, X Всероссийских форумах "Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес. Образование". Москва, 2001 г, 2003г.
Информационные технологии, заложенные в проекте ГИС НГТУ, признаны специалистами, и на IX Всероссийском форуме "Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование.
Бизнес. Образование, Москва, 2002 " проект представлен как проект года ГИС-Ассоциацией РФ.
На 12-ой международной конференции по компьютерной графике и машинному зрению "ГрафиКон-2002".- Нижний Новгород, 2002г.
На 6-ой международной конференции по компьютерной графике и искусственному интеллекту - "31А'2003". - Лимож (Франция), 2003г.
На 8-ой всероссийской конференции "Методы и средства обработки сложной графической информации". - Нижний Новгород, 2003г.
На Всероссийской научно-технической конференции "Информационные системы и технологии". - Нижний Новгород, 2005г.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано около 30 научных работ. В автореферате приведены 18 работ, в которых отражены теоретические и прикладные результаты диссертационных исследований.
На защиту выносятся результаты, определяющие научную новизну и практическую ценность:
Объектная структура данных, основанная на клеточных комплексах, представленная в виде клеточной СУБД для решения задач трехмерного пространственного анализа и обеспечивающая информационную и вычислительную инвариантность обработки объектов различной размерности.
Алгоритмы решения задач геоинформатики на основе клеточных моделей ("Установка прозрачности элементов клеточной оболочки", "Расчет земляных работ", "Клеточная локальная модификация триангуляции").
Архитектура геоинформационной системы, основанная на принципе ведущей подсистемы, с общей внешней базой данных.
Метод определителя трехмерного геометрического объекта для трехмерной навигации по плоско-пространственной модели зданий и территории.
Информационно-алгоритмический комплекс для решения топологических задач на комбинации 2D и 3D моделей (поиск кратчайшего пути и определение длины трубопровода, определение отключаемых участков трубопроводной сети на случай аварии и поиск ближайших исправных задвижек для локализации неисправных участков).
Геоинформационная система НГТУ, построенная на взаимодействии 2D и 3D моделей, включающая локальный и Internet компоненты и предназначенная для решения прикладных задач и задач управления на уровне ректората, деканатов, кафедр, а именно: архитектура геоинформационной системы НГТУ, включающая ведущую подсистему на базе трехмерных моделей, сопровождающую трехмерные и двумерные подсистемы с общей внешней БД в формате MS Access; комбинированная 2D/3D (плоско-пространственная) модель зданий и коммуникаций НГТУ и трехмерная навигация по плоскопространственной модели зданий и территории с помощью определителя трехмерного геометрического объекта; решение прикладных задач с помощью информационно-алгоритмического комплекса, предназначенного для решения топологических задач на комбинации 2D и 3D моделей.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 146 наименований и приложения, подтверждающего реализацию полученных результатов. Содержит: 162 стр. текста, 10 таблиц, 66 рисунков. Общий объем - 179 стр.
Информационные системы ВУЗов на базе ГИС технологий
В работах [1,11,13,35,37,47,53,87] представлены геоинформационные системы Московского, Саратовского, Тульского университетов и Нижегородской архитектурно-строительной академии.
Карты локального уровня В исследованиях, выполненных в Московском государственном университете на кафедре картографии и геоинформатики, основное внимание было уделено картографированию, а именно созданию тематических карт локального уровня.
Разработаны очень интересные, разнообразные и наглядные карты территории университета, такие, как здания и сооружения, инсоляционный режим территории, загрязнение атмосферного воздуха выбросами автотранспорта, телекоммуникационная сеть МГУ и другие. (Система выполнена в технологии ARC/INFO, Arc View). Работу характеризует двухмерность, статичность "временного среза", неучет состояния окружающей среды.
Трехмерное моделирование позволило бы достичь качественных перемен в создании геоизображений. Например, получить динамичность в пространстве и изменчивость во времени - годовую или сезонную, добавить ракурс, перспективу, пластичность и распределение теней. В Тульском государственном университете построена цифровая модель территории со следующим набором слоев топографической информации: кадастровый план территории с полной информацией о земельных участках, капитальные здания и постройки, улицы, проезды, тротуары и пр., коммуникации: водопровод, канализация, тепловые сети, газопровод, электрические кабели, телефон, воздушные линии связи, ограждения. Пространственная модель территории университета построена сотрудниками предприятия "Центрмаркшейдерия" на основе топоплана масштаба 1:500, предоставленного Тульским управлением геодезии и кадастра. Авторы геоинформационной системы ГИС-ТулГУ предполагали создать творческий коллектив, состоящий из преподавателей, сотрудников и студентов университета для создания информационно-аналитической системы, являющейся вспомогательным инструментом при управлении территорией и объектами Тульского государственного университета. Программной средой для ГИС-ТулГУ предлагалось использовать две оболочки - "Альбея" и "Maplnfo".
Работа выполнена в 2D технологии. Так как поставленной задачей является создание информационно-аналитической системы, то трехмерная модель территории и обстановки позволила бы улучшить наглядность и информативность системы, ее функциональность; отсутствуют 3D модели коммуникаций, которые могли бы обеспечить задачи локализации аварий и оптимизации использования энергоресурсов.
Нижегородской архитектурно-строительной академией предложены проекты: "Картографическое обеспечение технического состояния зданий на основе информационных технологий" на примере ННГАСУ [47] и "Создание базы данных территориально-имущественного комплекса ННГАСУ" [87]. В них показаны очень интересные и разнообразные тематические карты локальной территории квартала ННГАСУ и тематические планы конструктивных элементов зданий, такие как: стены, фундаменты, перекрытия, несущие элементы крыши, кровля, полы, проемы зданий квартала ННГАСУ, а также планы помещений, приборов и коммуникаций. Работа выполнена в технологии GeoDraw\GeoGraph.
Саратовским государственным университетом предложена открытая справочная геоинформационная система ГИС СГУ, выполненная в HTML-технологии, которая предоставляет справочную информацию по учебным городкам, корпусам, помещениям и структурам университета всем сотрудникам, студентам и гостям через Интернет. Авторы предполагают развернуть на ее основе корпоративную систему. В МИИГАиК разработана справочно-информационная система ВУЗа на основе ГИС-технологий [31]. Эта система спроектирована как часть интегрированной системы управления. Ее основными функциями являются:
1. Хранение и обеспечение доступа к информации служебного характера администрации ВУЗа (загрузка аудиторий, характеристики недвижимости и т.д.) Источником данных является БД с расписанием занятий ВУЗа и поэтажными планами зданий Университета. Графики загрузок аудиторий строятся на основе анализа расписания занятий, путем запросов к реляционной базе данных системы. Предусмотрено получение и оперативное отображение на планах территории ВУЗа характеристик отдельных объектов недвижимости.
2. Хранение и обеспечение доступа к информации преподавателей ВУЗа (расписания занятий, мероприятия ВУЗа и кафедр и т.д.) На основе единого web-интерфейса системы, реализованного на скриптах ASP, все преподаватели могут получать свое собственное расписание занятий.
3. Хранение и обеспечение доступа к справочной информации ВУЗа (расположение помещений в зданиях ВУЗа, поиск маршрута к заданной аудитории).
Интересным является то, что система способна построить диаграммы по необходимым параметрам, которые могут динамично изменяться, например, обновление может происходить посредством электронной почты в автоматическом режиме.
Архитектура СУБД КЛЕТАЛ
В данной работе разработаны архитектура, структура и механизм запросов, позволившие реализовать систему управления клеточной базой данных для модификации и организации доступа к данным [63,75]. Архитектура СУБД КЛЕТАЛ включает несколько уровней (рис.2.4). Первый уровень, доступный пользователю, — уровень клеточных запросов. При реализации операторов клеточных запросов [62] использованы классические понятия замкнутой клетки, границы клетки, звезды и линка.
В клеточном пространстве замкнутая клетка: сі(ст-) = т[ + ек eS,k rvj = isk(a- )), гомотопическая граница клетки - множество клеток меньшей размерности /г(а-) = с1(а-)-ст- к eS,k rvjeisk(a-)), границей клетки в результате правильного примыкания является подкомплекс меньшей размерности; гомологический цикл по границе клетки равен нулю. звезда клетки - объединение клеток, содержащих у\ st((7ri ) = \т{ +ек eS,k rvj є isk( УГІ )), линк (граница замыкания звезды), объединение клеток из звезды, не пересекающихся с а\ , lk( 7j ) = fr(cl(st( J ))).
С помощью операторов клеточных запросов можно получить доступ к БД и формировать клеточные структуры данных открытых и замкнутых клеток, их открытых или замкнутых звезд, границ, остовов, линков, а также любой поднабор атрибутов (полей).
Вся информация, выдаваемая операторами клеточных запросов, имеет схему клеточной структуры данных и позволяет получить любые виды клеточных окрестностей клетки произвольной размерности. Все операторы клеточных запросов имеют унифицированный интерфейс. Следующий уровень — клеточное исчисление — включает в себя группы клеточных операторов генерации, селекции, интерполяции и анализа [60]. В эту группу входят 1-, 2-, 3-мерные генераторы клеточных геометрических моделей на различных типах геометрических объектов (ГО) (линейные графы или проволочные остовы, тела вращения и обобщенные цилиндры, сфероиды и т.д.). Заметим, что клеточная декомпозиция r-мерного ГО должна обязательно содержать г-клетки, т. е. 3-мерный генератор должен генерировать 3-клетки. Генератор генерирует клеточную топологию, геометрию, атрибуты (поля) в виде клеточных структур данных и БД. Наиболее трудной частью (до 90% объема) каждого генератора является генерация клеточной топологии (топологического коэффициента, градуированных степеней и звезд).
Характерной чертой КЛЕТАЛ является циклы по комплексам, размерности и метод клеточной линеаризации, причем модуль, генерирующий топологию, геометрию и поля, является инвариантным и относительно клеток, и относительно их размерности. Для генерации атрибутов и преобразования ГО используются инвариантные модули преобразований с унифицированным интерфейсом. Унифицированные модули преобразований осуществляют преобразование f: R — R , являющееся инъекцией (мопеоморфизмом) и переводящее точку X в R в точку f: х— хмар, они имеют интерфейс: MAP(DIMR1, X, CPARM, PARM, DIMR2, ХМАР, CONT), где DIMR1 — размерность объемлющего пространства прообраза,
X[1:DIMR1] — координаты точки прообраза, CPARM — число варьируемых (фиксированные «запаяны» в теле модуля преобразования) параметров преобразования, PARM [1:CPARM] —варьируемые параметры преобразования, DIMR2 — размерность объемлющего пространства образа, ХМАР[1: DIMR2] — координаты точки образа, CONT — контрольный параметр.
Аналогичный интерфейс имеют унифицированные модули вычисления атрибутов (полей): FIELD (DIMR, X, CARDF, CPFMAX, CPARF, PARF, FIX, CONT), где CARDF — число атрибутов (полей), точнее, скалярных компонент атрибутов (полей); CPFMAX — максимальное число варьируемых параметров атрибутов (полей); CPARF [1: CARDF] — числа варьируемых параметров атрибутов (полей); PARF [1:CPFMAX, 1 : CARDF] — варьируемые параметры атрибутов (полей); FIX [I: CARDF] — значения атрибутов (полей) в точке X.
Таким образом, каждый генератор является вычислительно инвариантным относительно геометрических преобразований и вычисления функций, так как в теле генератора стоят формальные операторы. Тем самым обеспечивается свойство полиморфизма в предложенной модели - интерфейс универсальный, а фактические преобразования и нагружения задаются при конкретных генерациях геометрической модели.
Следующим классом операторов на СУБД являются селекторы, генерирующие из клеточной базы данных БД и структуры данных подкомплексов с собственной клеточной идентификацией, топологией, преобразованиями и нагружениями полями. По модульной структуре селекторы разбиты на семантические и синтаксические. Первые по заданным предикатами свойствам формируют множества клеточных индексов тех клеток, которые удовлетворяют заданному свойству. Единый синтаксический селектор по индексу генерирует клеточные либо КЭ структуры данных и БД подкомплекса.
Все унифицированные модули сводятся в тематические библиотеки (преобразований, нагружения полями, интерполяции и т. д.).
Проблема навигации по плоско-пространственной модели и ее решение на основе определителя геометрического объекта
Трехмерное моделирование предлагается использовать прежде всего для инженерных коммуникаций зданий и сооружений, а также для инженерных коммуникаций территории, рельефа местности, и как вариант более наглядного, по сравнению с планом, представления обстановки помещений. В этом случае необходимо обеспечить визуализацию (аксонометрию или перспективу) трехмерных моделей зданий или помещений. Для этих целей предлагается метод использования определителя геометрического объекта [82]. Само понятие определителя геометрического объекта заимствовано из начертательной геометрии, где оно широко используется для описания кинематических поверхностей. Определитель геометрического объекта может быть записан различным образом в зависимости от задачи. Плоский план в этом случае может быть использован как составляющая определителя трехмерного объекта. Например, для конструирования подобъектов определитель трехмерного геометрического объекта: (1) ф(а15Н;), где а;- полигон нижнего основания объекта, Hj- высота объекта, (2) D(ai,bj), где а;,Ь; - полигоны нижнего и верхнего основания объекта.
Для целей навигации в ряде случаев может быть достаточно: ф(Ьох;), Ф(зрЬегЄі), где boxj,sphere;- вспомогательные объекты, охватывающие исходные объекты.
Построение определителя геометрического объекта вида (1) может быть осуществлено на основе определителя объекта старшего уровня: F(C:,HJ), где C:,Hj- контур и высота объекта старшего уровня.
В этом случае при выборе а;- го контура основания подчиненного объекта осуществляется проверка принадлежности а;- го контура с-} ому. Например, это может понадобиться при навигации по плоскому плану этажа, помещения которого имеют разную высоту. В этом случае С:- контур полигона, охватывающего помещения с одинаковой высотой. На рис. 3.4 показана плоско-пространственная модель здания предприятия с поэтажными планами и трехмерными моделями коммуникаций.
Использование определителя ГО также является полезным при перемещении по плоскому плану этажа для установки отличия между полом и потолком. Аналогичные задачи возникают, например, при ландшафтном моделировании или при навигации по плоскому плану на местности.
ГИС технологии позволяют при навигации по плоскому объекту поддерживать связь с таблицами БД, в которых должны быть поля, описывающие текущий контур.
Связь между объектами цифровой карты и записями в семантической базе данных осуществляется двумя путями: "по идентификатору" и программно. Связь по идентификатору производится следующим образом: в семантической базе данных отводится специальное поле для идентификатора объекта. В свою очередь в физической структуре файла цифровой карты для каждого объекта также запоминается идентификатор (как правило, четырех байтовое целое число). Таким образом, сравнивая идентификаторы или производя запросы можно найти строку в таблице семантической информации для данного графического объекта, и наоборот. Программный способ состоит в том, что программные средства ГИС поддерживают специальные справочные файлы, в которых запоминается связь между объектами цифровых карт и строками в семантических базах данных.
Например, при навигации по плоскому плану рельефа территории предприятия, связь с таблицей реляционной БД может осуществляться по ключевому полю, которым может служить идентификатор объекта. В этом случае параметры формы хранятся в графическом файле (рис.3.5,3.6).
Подсистема "Охрана труда и экология рабочих мест НГТУ"
Построенная модель геометрическая модель технического университета является крайне сложной. Она содержит планы и трехмерные модели помещений, мебель (2D,3D), оргтехнику, коммуникации, электрооборудование, отопительные приборы, локальные компьютерные сети - тысячи объектов на одно здание. Сложной является проблема рациональной навигации по плоско пространственной модели корпусов с поэтажными планами и трехмерными моделями коммуникаций.
В этом случае необходимо обеспечить трехмерную визуализацию зданий или помещений, ориентируясь по плоскому плану, например, для того, чтобы показать аксонометрию или перспективу.
Проблема навигации по трехмерным моделям решена методом, описанным в главе 3; На рис.4.23 показана плоско-пространственная модель учебного корпуса.
Плоскопространственная модель учебного корпуса №2 Для навигации по трехмерной модели здания в качестве определителя ГО используется параллелепипед, охватывающий помещения одной высоты. Объектная привязка осуществляется к центроиду параллелепипеда.
Навигация иерархическая: корпус, этаж, помещение; затем навигация осуществляется внутри комнаты. На рис.4.24 показана 3D навигация по территории кампуса и внутри комнаты. Для ведущей подсистемы посредством макросов MS Access и аппарата ассоциированных документов Autodesk Map реализована нештатная функция связи объекта 3D модели с соответствующей ему записью в базе данных MS Access. Это позволяет при навигации по трехмерной модели в среде Autodesk Map переходить в среду Access и выполнять необходимую работу с данными (рис. 4.25) с применением специально разработанных форм.
Топологические задачи на моделях смешанного типа используются в подсистеме "Инженерные коммуникации" [78,81]. Целью создания подсистемы является: автоматизация работы инженерно-технического персонала университета, мониторинг инфраструктуры для быстрого обнаружения и устранения аварий на трубопроводе, воссоздание и поддержание в актуальном состоянии утраченной информации.
На основе топопланов масштабов 1:2000 и 1:500 была построена плоско-пространственная модель инженерных коммуникаций для зданий и сооружений и трехмерная модель подземных коммуникаций. Задача поиска кратчайшего пути решена методами, описанными в главе с помощью специализированных средств совместной обработки 2D/3D объектов. Это может быть полезно при моделировании прокладки телекоммуникационных, электрических, водо-проводных и других сетей. На рис. 4.26 слева показан пример решения задачи для водопроводных сетей корпуса №4. Доступ к разработанным средствам осуществляется с помощью специально разработанного интерфейса (рис.4.28).
Плоско-пространственная модель коммуникаций 4-го корпуса Одним из основных вопросов эксплуатации тепловых и водопроводных сетей являются переключения. Существует 3 основных цели выполнения переключений: локализация аварийных участков, проведение работ по профилактике и реконструкции сети, изменение режима сети. Наиболее сложной в алгоритмическом плане является задача выдачи рекомендаций по локализации аварийных участков. На содержательном уровне простейшая формулировка этой задачи следующая: для заданного аварийного участка найти подмножество запорной арматуры, которую необходимо перекрыть для того, чтобы транспортируемая среда не поступала в аварийный участок (узел).
В качестве критерия локализации выбирается минимизация объема отключенной сети и минимизация количества запорного оборудования, состояние которого следует изменить. Наглядным способом представления результатов локализации является графическое выделение узлов, в которых планируется переключение, и зоны отключения. Решение задачи локализации аварии описано в главе 3. Результатом работы программы является выделение красным цветом участка трубопровода, примыкающего к месту аварии, до ближайшей запорной арматуры, которую необходимо задействовать для локализации аварии.
Запорная арматура смоделирована в виде блока с атрибутами. Цвет закраски блока соответствует текущему состоянию запорной арматуры. При смене состояния запорной арматуры меняется его окраска. Если в сети произведено переключение, то подмножество объектов сети, которые изменили состояние (отключились, включились, стали тупиковыми и т.п.) в результате произведенных переключений формируется автоматически.
В результате переключений меняется состав связных компонент. Связные компоненты определяются с помощью специальных алгоритмов (поиска в глубину). Самым удобным способом визуализации результата произведенных переключений является топологическая раскраска графа схемы инженерной сети. Узлы и участки инженерной сети красятся, например, в синий цвет, если они принадлежат рабочим компонентам, и в красный цвет, если они отключены, выделяются граничные узлы, тупиковые участки (участки, принадлежащие рабочим компонентам, по которым отсутствует движение объекта транспортировки).
