Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор и анализ моделей и алгоритмов построения информационных систем . 10
1.1 Существующие модели информационных систем 13
1.2 Существующие алгоритмы разработки информационных систем 26
1.3 Достоинства и недостатки существующих моделей и алгоритмов построения информационных систем. 35
1.4 Требования к моделям и алгоритмам построения информационных систем обеспечения градостроительной деятельности 37
1.5 Выводы по главе 42
ГЛАВА 2 Разработка структурно-функциональной модели информационных систем обеспечения градостроительной деятельности . 43
2.1 Постановка задачи создания модели информационных систем обеспечения градостроительной деятельности 43
2.2 Разработка модели информационных систем обеспечения градостроительной деятельности с учётом сейсмического риска . 48
2.3 Разработка методики оценки сейсмического риска в целях принятия эффективных градостроительных решений 59
2.4 Выводы по главе 76
Глава 3 Разработка алгоритма построения информационных систем обеспечения градостроительной деятельности 77
3.1 Постановка задачи разработки алгоритма построения информационных систем обеспечения градостроительной деятельности на основе созданной модели 77
3.2 Разработка алгоритма построения информационных систем обеспечения градостроительной деятельности с учётом методики оценки сейсмического риска . 79
3.3 Выводы по главе 90
ГЛАВА 4 Апробация и оценка эффективности разработанных модели и алгоритма построения информационных систем обеспечения градостроительной деятельности 91
4.1 Критерий оценки эффективности разработанных модели и алгоритма информационных систем обеспечения градостроительной деятельности 91
4.2 Апробация разработанных модели и алгоритма путём практической реализации информационной системы и управление территорией на их основе 116
4.3 Выводы по главе. 128
Заключение 130
Список использованных источников 133
- Существующие алгоритмы разработки информационных систем
- Разработка модели информационных систем обеспечения градостроительной деятельности с учётом сейсмического риска
- Разработка алгоритма построения информационных систем обеспечения градостроительной деятельности с учётом методики оценки сейсмического риска
- Апробация разработанных модели и алгоритма путём практической реализации информационной системы и управление территорией на их основе
Существующие алгоритмы разработки информационных систем
В узком смысле все информационные системы обеспечения градостроительной деятельности (ИСОГД) являются системами, в которых содержаться сведения о документах градостроительства, то есть это своего рода картотека, которая хранит в себе подобные сведения. Такой подход основывается на Постановлении Правительства РФ от 9 июня 2006 г. № 363 «Об информационном обеспечении градостроительной деятельности». Данное Постановление определяет ИСОГД как некий систематизированный свод документов градостроительства, прошедших процедуру утверждения и устанавливает требования к составу ИСОГД. Подобные картотеки предназначены только лишь для регистрации и учёта документации в градостроительной деятельности и носят название «ИСОГД – 363». Это не накладывает ограничений на вид реализации таких систем и позволяет использовать как автоматизированные информационные системы, так и с использованием бумажных средств хранения данных и регистрации различных сведений.
Тем не менее, фактические функциональные требования к ИСОГД, которые предъявляют сотрудники различных органов государственной власти и местного самоуправления, имеющих полномочия в сферах градостроительства и архитектуры, имеют значительно более широкий перечень требований, чем тот, который предусмотрено в нормативной базе Российской Федерации.
ИСОГД [ГИС для устойчивого…, 2001; Бычков, 2002; Сурнин, 1998; Черкашин, 2002] выполняет важнейшую роль в системе геоинформации, и должна удовлетворять следующим требованиям: система должна строится на основе геоинформационных, клиент-серверных и Интранет-технологий с применением баз данных (БД), и содержать в себе различные данные о состоянии территории в целях планирования и принятия решений в градостроительной области.
До того, как формулировать принципы, методы функционирования и создания ИСОГД, необходимо определить их место и соотношение данных систем в их связи с близкими системами - единым государственным кадастром недвижимости (ЕГКН), который призван заменить организованные ранее базы данных государственного земельного кадастра (ГЗК) и технического учета объектов градостроительной деятельности [Хургин, 2006]. Очевидно, что сама по себе градостроительная деятельность, определённая в Градостроительном кодексе, существует не в отрыве от другой деятельности, а, напротив, связана с этой ней самым тесным образом.
В контексте данной работы ведётся, в первую очередь, речь о землеустроительных работах, которые определяются статьей 1 Федерального закона «О землеустройстве» как «мероприятия по изучению состояния земель, планированию и организации рационального использования земель и их охраны, образованию новых и упорядочению существующих объектов землеустройства и установлению их границ на местности (территориальное землеустройство), организации рационального использования гражданами и юридическими лицами земельных участков для осуществления сельскохозяйственного производства, а также по организации территорий, используемых общинами коренных малочисленных народов Севера, Сибири и Дальнего Востока Российской Федерации и лицами, относящимися к коренным малочисленным народам Севера, Сибири и Дальнего Востока Российской Федерации, для обеспечения их традиционного образа жизни (внутрихозяйственное землеустройство)». Очевидно, что осуществлять планирование развития территорий невозможно без проведения межевания, инвентаризации земли и т.д. Из этого логично следуют, что основным источником информации для информационных систем обеспечения градостроительной деятельности будет являться государственный земельный кадастр, который, согласно статье №1 ФЗ «О государственном земельном кадастре» представляет собой «систематизированный свод документированных сведений, получаемых в результате проведения государственного кадастрового учета земельных участков, о местоположении, целевом назначении и правовом положении земель Российской Федерации и сведений о территориальных зонах и наличии расположенных на земельных участках и прочно связанных с этими земельными участками объектов».
Тем не менее, принятие решений в градостроительной сфере не является конечным результатом. Разумеется, что результатом градостроительной деятельности должны являться строящиеся объекты недвижимости, и информация и них, в конечном счёте, должна заносится в базы данных техучёта (БДТУ). Следовательно, можно предположить, что ИСОГД технически расположены между базами данных технического учёта и земельного кадастра.
Разработка модели информационных систем обеспечения градостроительной деятельности с учётом сейсмического риска
Стандарты OGC и дополнительные стандарты Международной организации по стандартизации (ИСО), Технического комитета 211 (Географическая информация /Geomatics) являются важнейшими элементами в ИПД по всему миру. Это потому, что ИПД состоят из данных и сетей, а функционирование сетей зависит от открытых стандартов. Создание политики максимального использования геопространственных продуктов, решений и услуг, реализации этих стандартов является лучшим способом максимизировать отдачу от этих инвестиций.
В большинстве своем информация, с которой имеют дело органы государственной власти, содержит геопространственные компоненты, и на всех уровнях значительные средства идут на сбор и координацию геопространственной информации. Юридические основы меняются от страны к стране, но обычно правительственные службы и ведомства являются первичными поставщиками некоторых видов авторитетной геопространственной информации в то время как координация и управление другими типами геопространственных данных могут осуществляться сторонними организациями на основе соглашений. Без SDI программ, попытки взаимодействия различных структур будут в большинстве случаев малоэффективными и абсолютно сопровождаться дублированием усилий и низкой оперативностью обновления данных, поскольку у систем существуют самые разные пользователи – учреждения, граждане и частный сектор стремятся получить данные, необходимые для достижения своих целей максимально оперативно.
Правительственные чиновники признают, что национальные инфраструктуры пространственных данных состоят из многих местных и субнациональных инфраструктур пространственных данных. Благодаря широкой совместимости на основе открытых стандартов, инвестиции в рамках одной юрисдикции становятся инвестициями, которые обслуживает все связанные с ней структуры. Различные виды данных, лучше всего поддерживается на различных уровнях государственного управления. С открытыми стандартами, такое распределение ответственности хорошо работает, что позволяет правительству обмениваться данными с партнерами и частным сектором, с легкостью получая доступ к самой актуальной информации. SDI архитектуры изменилась с быстрым развитием технологий и открытых стандартов, которые предоставляют глобальные сети. Геопространственные данные до сих пор являются сердцем каждой ИПД, и наряду с управлением данными всегда будут основой функционирования ИПД. Тем не менее, «техническая совместимость», предоставляемая открытыми стандартами, изменила рабочие процессы и сделала взаимодействие более легким.
Программный интерфейс и стандарты OGC в настоящее время широко применяемые разработчиками программного обеспечения, делает многое возможным. Некоторые примеры: системы различных производителей могут обмениваться данными по сети, устраняя необходимость стандартизировать программное обеспечение одного производителя. Компоненты «лучших представителей» разработчиков программного обеспечения могут быть интегрированы в решения. Унаследованные системы "завернутые" в открытые интерфейсы имеют меньший риск стать устаревшими и могут оставаться в эксплуатации дольше, поскольку будут совместимы с новыми системами и дополнениями, который могут приобретаться в последующем. Для веб-клиентов появляется возможность получать данные и услугу от бесчисленных источников. Каждый год новые стандарты OGC и других организаций по разработке стандартов расширяют возможности веб-ИПД.
Администраторы ИПД имеют больший набор возможностей, чем когда-либо прежде. Настольные ГИС системы всё ещё могут служить своей первоначальной цели, но они также могут быть помещены в интернет, чтобы их пользователи могли получать доступ к удаленным данным и поэтому они, таким образом, становятся Web-доступными источниками управляемых данных и веб-сервисов. Эти ресурсы могут быть зарегистрированы с метаданными в онлайн-каталогах, чтобы они могли быть легко обнаружены и оценены. Ведомственные системы могут аналогичным образом удовлетворять потребности локальных и удаленных пользователей. Сегодня стало предельно простым подключиться к интернет-каналам с геопривязанных датчиков или к обновляемым данным на удаленном сервере. Во всех этих случаях, требуется гораздо меньше настроек для интеграции, чем раньше, потому что открытые стандарты позволяют системам работать по принципу «plug and play».
Возможности подобных систем также должны быть реализованы в разрабатываемой модели. Необходимо обеспечить возможность интеграции уже существующих информационных систем и картографических сервисов в разрабатываемой модели.
Для достижения поставленной цели также необходимо учесть следующие аспекты: модель должна поддерживать технологии обработки пространственно-распределённых данных и интеграцию информационных ресурсов в области градостроительной деятельности; технологии создания единых информационных ресурсов (взаимосвязанные кадастры, регистры, базы данных и информационные системы), объединяющих информационные ресурсы органов местного самоуправления в сфере градостроительства; поддерживать развитие согласованных, системообразующих компонентов автоматизированной системы сбора, обработки, хранения и представления информационных ресурсов; а также повысить оперативность принятия управленческих решений, снизив нагрузку на первых лиц, позволяя принципиально усовершенствовать управленческий процесс.
Последним основным требованием должна стать поддержка методики оценки сейсмического риска в разрабатываемой модели ИСОГД.
Разработка алгоритма построения информационных систем обеспечения градостроительной деятельности с учётом методики оценки сейсмического риска
На первом этапе необходимо выбрать аппаратную составляющую будущей системы. В зависимости от масштабов системы и числа пользователей будет отличаться и вычислительная мощность будущего сервера, на котором будет работать информационная система. Здесь стоит отметить большой плюс в пользу операционных систем семейства Linux, которые намного менее требовательны к ресурсам, чем ОС Windows. Тем не менее, в каждом конкретном случае, приходится выбирать сервер на основе собственных нужд и задач.
Кроме того, в рамках разработанной структурно-функциональной модели, существует возможность построения информационной системы на базе нескольких серверов, каждый из которых будет отвечать за работу каждого блока в модели ИСОГД. Такое решение, на наш взгляд, позволит создать быстродействующую систему, не затрачивая достаточно больших средств на приобретение высокопроизводительного сервера. Самое же главное преимущество – при выходе из строя одного блока остальные будут функционировать в обычном режиме. Даже при таком подходе восстановление системы не будет столь сложной и затратной, как при реализации с одним сервером. Если же все блоки будут продублированы, то выход из строя одного из них никак не скажется на работе системы в целом, что повысит надёжность системы в разы.
Второй этап – выбор операционной системы. Здесь уже можно дать рекомендации в пользу уже указанной системы Ubuntu Server. Даная ОС обладает огромными возможностями, при этом не требует вложения средств в реализацию специфических функций, которые можно найти в бесплатном программном обеспечении, широко доступном для данной системы. Тем не менее, выбор не ограничивается только указанной системой. Можно выбрать любую ОС семейства Linux. Данный выбор гарантирует надёжность работы, а также значительное сокращение средств, что особенно становится заметным при реализации многосерверной конфигурации.
Третий этап – создание и/или установка системы управления пространственными данными. Установку необходимо начинать именно с этого модуля, так как он данные к нему поступают только путём ввода непосредственно администратором системы, либо обращением к нему с использованием SQL-подобных запросов. По сути, это будет обычный SQL, расширенный командами для пространственных данных. Нами использовался программный продукт PostGIS, но в качестве подобного блока может использоваться любое подобное программное обеспечение, как уже готовое, так и специально написанное. Наряду с PostGIS существуют пространственные расширения и для других свободно распростроняемых СУБД. MySQL/Spatial http://dev.mysql.com/doc/refman/6.0/en/spatial-extensions.html MySQL - простая в использовании, очень быстрая СУБД - не вызывает удивления тот факт, что она является довольно популярной среди веб разработчиков. MySQL довольно часто критикуют за неполную поддержку стандартов SQL. MySQL Spatial предоставляет возможность достаточно эффективно осуществлять управление пространственными данными; к большому сожалению, создавать пространственные индексы возможно лишь используя таблицы MyISAM, в которых отсутствует поддержка транзакций и ACID. Другой выход из данной ситуации – использование пространственных данных в таблицах InnoDB, которые полностью поддерживают ACID, но в данном случае пропадёт возможность использовать пространственные индексы. Даже в самых последних версиях MySQL реализованы функции только для минимально ограничивающих прямоугольников, при отсутсвии большого количества функций OGC функций. SQLite/SpatiaLite http://www.gaia-gis.it/ SpatiaLite позволяет загружать, хранить и управлять пространственными данными, являясь встраиваемым движком базы данных. В ней присутствует поддержка пространственных индексов, которые основываются на R-деревьях, в сулчае использования SQLite версии 3.6.0 или новее. Но необходимо отметить, что в ней также реализована не вся функциональность, которая предусмотрена в OGC. В то же время и реализованных функций бывает вполне достаточно. К плюсам SQLite + SpatiaLite относятся: максимально упрощённая процедура установки; отсутствует потребность в администрировании базы данных; для их использования не нужны значительные системные ресурсы; очень простые в использовании; Oracle Spatial, DB2 Spatial Extender, Informix Spatial Blade http://www.oracle.com/technology/products/spatial/index.html http://www-01.ibm.com/software/data/spatial/
При сравнении PostGIS с похожими программными продуктами, распространяемыми на коммерческой основе, можно заключить, что он обладает значительно более широким функционалом, чем коммерческие приложения, но при этом уступает немного по производительности. Однако основным недостатком PostGIS можно считать отсутствие дополнительно устанавливаемых модулей, которые присутствуют в платных решениях. Для примера можно привести модуль Oracle Spatial network topology model. Но при этом необходимо отметить, что цена дополнительных модулей, устанавливаемых в коммерческие приложения, может значительно превысить стоимость непосредственно самой системы управления базами данных. MS SQL Server 2008 http://www.microsoft.com/sqlserver/2008/en/us/spatial-data.aspx MS SQL Server 2008 – пример ещё одной коммерческой программы управления базами данных. В ней также присутствует поддержка работы с пространственными данными. Кроме того, в ней присутствует очень важный инструмент, который отсутствует в PostGIS – геодезическая поддержка [Руководство… 2001]. Но необходимо отметить, что в ближайшее время данную поддержку планируется включить также и в PostGis, а также инструменты сетевой топологии. Главным минусом SQL Server является невозможность использовать данную СУБД на операционных системах не из семейства Windows. Однако она обладает одним из лучших соотношением цена/качество. Существуют и бесплатные ограниченные версии коммерческих продуктов, но с большим количеством ограничений: к примеру, ограничение размера баз данных, поддержка работы только однопроцессорных компьютеров, что часто является неприемлемым. ArcSDE http://www.esri.com/software/arcgis/arcsde/
Необходимо рассмотреть ещё одно программное обеспечение, которое предназначено для организации управления и хранения данными с пространственной привязкой в СУБД. Данное ПО, как и PostGIS полностью совместимо с OGC, позволяя управлять базами данных, хранящихся в следующих СУБД: Microsoft SQL Server, Oracle и др. При этом минимальная версия ArcSDE обойдётся порядка $15,000.
PostGIS может работать со стандартными shape- файлами, предоставляя к ним доступ по wms протоколу для других wms сервисов, а также непосредственно в систему визуализации пространственных данных. В нашей работе использовался первый вариант, так как в используемой схеме безопасности второй не мог быть реализована, что будет показано ниже.
Апробация разработанных модели и алгоритма путём практической реализации информационной системы и управление территорией на их основе
Анализ результатов расчетов показывает, что в зависимости от типа зданий уязвимость изменяется в широких пределах. Можно хорошо видеть, что современная застройка микрорайона “Хольцман” резко отличается уязвимостью. Здесь она практически нулевая при 6-9 балльном воздействии. С другой стороны, анализ инструментальных записей станций, расположенных в различных грунтовых условиях, показывает, что указанный район характеризуется значительной сейсмической опасностью из-за грунтов оснований в виде мощной толщи (20 метров и больше) глинистых грунтов текучей консистенции. Результаты анализа тяжелейших последствий в г.Кобе и портовых сооружений (Япония, 1995), а также Нефтегорского землетрясения (Сахалин, 1995), можно ожидать повреждений весьма качественных зданий типа D из-за потери ими устойчивости. Действительно, плиты оснований хотя и препятствуют воздействию неравномерных осадков на целостность зданий, одновременно делают их уязвимыми именно к опрокидыванию. Примеры таких аварий хорошо известны (Япония, 1964). Вообще вопрос традиционного повышения интенсивности участка все еще спорный и «мягко говоря» здания не находятся в полной безопасности т.к. даже секундные провисания отдельных частей здания из железобетона приведет к значительным повреждениям. Здания, очевидно, должны быть хотя бы из монолитного железобетона. Некоторые авторы полагают, что здания не рекомендуется и это даже вредно т.к. на слабых грунтах тяжелое здание может просто «утонуть» в грунте. Поэтому здесь необходима реализация специальных мероприятий по усилению собственно грунтов.
Во всяком случае, даже анализ одного негативного фактора показывает некоторую условность полученных данных с одной стороны и значительных возможностей с другой.
Таким образом, опираясь на вышеприведённые расчёты можно заключить, что использование разработанной модели информационных систем, с поддержкой методики оценки сейсмического риска, позволяет значительно повысить безопасность населения и имеет более высокую экономическую эффективность. При проектировании новых зданий и сооружений это позволит избежать дефицита сейсмостойкости. Так, для исследованной территории использование данной системы позволило бы сэкономить порядка 2,8 млрд рублей и спасти 3 человек, а также предотвратить получение тяжёлых ранений порядка 100 человек и лёгких ранений порядка 700 человек. Данная система эффективна и для уже построенных зданий. Так, в случае сильного землетрясения, система позволит выделить наиболее уязвимые участки, что позволит более эффективно спланировать спасательные работы.
Апробация разработанных модели и алгоритма путём практической реализации информационной системы и управление территорией на их основе Для апробации разработанной структурно – функциональной модели и алгоритма создания информационных систем обеспечения градостроительной деятельности разработаем готовую систему на их основе. Одними из основных картографических материалов будут представлены карты сейсмической опасности. В настоящее время в мире для определения сейсмических нагрузок для инженерных проектов, как правило, используется вероятностная оценка сейсмической опасности. Вероятностный подход представляет собой более систематизированный метод для оценки количества, размеров и местоположения будущих землетрясений [Cornell, 1968; McGuire, 1995; Bazzurro, Cornell, 1999], чем это делается при использовании других методов.
В основе всех карт сейсмической опасности лежат результаты геотектонических исследований [Несмеянов С.А., 2004]. Оценка сейсмической опасности любой территории, как правило, анализируется детерминистскими и вероятностными методами. Практически все предыдущие карты сейсмического районирования, начиная с первой карты 1937 г. и заканчивая предпоследней картой 1978 г., были детерминистскими. Они не учитывали основные характеристики сейсмического режима сейсмоактивных территорий, хотя еще в середине 40 х годов С.В. Медведев [Медведев, 1947] предложил ввести в зоны сейсмической опасности внутреннюю дифференциацию в соответствии с периодом повторяемости сильных землетрясений и с предполагаемыми сроками службы различных типов сооружений. Затем Ю.В.Ризниченко разработал алгоритмы и программы расчета сейсмической "сотрясаемости" [Ризниченко, 1966]. Однако все эти прогрессивные разработки отечественных сейсмологов тех лет, как и многие другие их идеи, по целому ряду объективных и субъективных причин не были применены на практике [Сейсмическое…, 1980]. Вместе с тем, они получили широкое развитие за рубежом после аналогичной, но более поздней, публикации К.А. Корнелла в 1968 г. [Cornel, 1968] и привели западные страны к построению карт сейсмического районирования в терминах вероятности превышения (или не превышения) сейсмической опасности в заданные интервалы времени.
На основе новейших достижений и результатов исследований В.И. Уломова [Уломов, 1995], было принято решение создавать не одну карту, как это делалось составителями предыдущих карт образца 1937, 1957, 1968 и 1978 гг., а комплект вероятностных карт ОСР-97, предназначенных для строительных объектов разных категорий ответственности и сроков службы и отражающих равновероятную для конкретного уровня риска расчетную интенсивность сотрясений на всей районируемой территории
Для территории Северной Осетии Центром геофизических исследований ВНЦ РАН И РСО-А были созданы карты сейсмической опасности, определенные как вероятность превышения фиксированной величины сотрясений в течение различных времен экспонирования. Был создан набор карт для макросейсмической интенсивности и пикового грунтового ускорения (РGА) для повторяемости 50 лет с вероятностью превышения 1%, 2 %, 5 % и 10 %.
В целом, построение карт детального сейсмического районирования представляет, фактически, современное физико-математическое моделирование сейсмического процесса [Бондырев, Заалишвили, 2003; Еналдиев, Заалишвили, 2003, Zaalishvili, 2012] и в настоящее время позволяет решать сложнейшие задачи долгосрочного прогноза мест возникновения его максимальных проявлений для целей сейсмостойкого строительства.
Оценка сейсмической опасности территории Северной Осетии представляет собой совокупность взаимодействий различных подходов, базирующихся на современных научных принципах, развитых в последние годы в трудах российских, армянских и грузинских ученых [Bonnin et al, 2004; Bonnin, Zaalishvili, 2006]. Впервые работа по сейсмическому микрорайонированию г. Владикавказа была проведена еще в 1969-1970 гг. [Отчёт…, 1969]. Сразу отметим, что соответствующая карта сейсмического микрорайонирования оказалась первой и последней официальной утвержденной картой – непосредственной основой сейсмостойкого строительства. Почти все строительство в городе в последующий период официально и полуофициально основывалось на данной карте.
