автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Геоинформационное моделирование подземных инженерных коммуникаций и его программно-аппаратная реализация

г' О ОД

На правах рукописи

Русаков Георгий Васильевич

ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ КОММУНИКАЦИЙ И ЕГО ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

Специальность 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (технические науки)

М"'

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 2000

у

Работа выполнена в Уральской государственной горно-геологической академии

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Блюмин М.А.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Зобнин Б.Б.

- кандидат технических наук, доцент кафедры моделирования и компьютерных технологий УрГЭУ Семенова A.C.

Ведущая организация - Уральское аэрогеодезическое предприятие ФСГиК РФ «Уралаэрогеодезия»

Защита диссертации состоится 2000 г.

в _ часов на заседании диссертационного Совета К 063.03.05 в

зале заседаний Ученого совета Уральской государственной горногеологической академии по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральской государственной горно-геологической академии

Автореферат разослан — 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

М.Д. Печорина

НШ-082 ~5~05,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные предприятия - сложные многофакторные комплексы природного и техногенного происхождения. Управление такими комплексами, характеризующимися большими объемами разнокачественной информации, является сложной задачей, решение которой зависит от методов обработки информации и форм ее представления.

Продолжительная эксплуатация предприятий приводит к полному или частичному изменению технологических схем, проектных контуров, замене оборудования, изменению конфигурации транспортных и других коммуникационных сетей, что обуславливает необходимость их реконструкции. Принятие соответствующих решений невозможно без налаженной информационной системы.

Значительную роль в обеспечении функционирования объектов инфраструктуры территорий, городов и предприятий играют информационные системы инженерных коммуникаций. Существующие автоматизированные геоинформационные системы (ГИС) используют методики анализа и представления информации, применение которых зачастую затруднительно или невозможно в сфере кадастра и обслуживания инженерных коммуникаций. В этой связи совершенствование методики ведения кадастровых работ, разработка способов согласования разнокачественной информации об элементах инженерных коммуникаций и оптимизация используемых геоинформационных моделей является актуальной задачей. Успешное ее решение позволяет повысить оперативность ввода-вывода информации и ее достоверность, повысить эффективность управления, снизить материальные расходы, использовать накопленные данные в других отраслях науки и производства.

Цель работы - разработка геоинформационной системы подземных инженерных коммуникаций путем совершенствования способов представления и обработки разнородной информации для обеспечения эффективного безаварийного режима эксплуатации.

Идея работы заключается в оптимизации геоинформационной модели автоматизированных информационных систем предприятий, что достигается разработкой и использованием методики согласования разнокачественной кадастровой и технической информации, стандартизацией процедур ввода, обработки и вывода цифровой топографической и инженерно-технической информации об объектах сетей, выбором эффективного программного обеспечения информационных систем.

Основные научные результаты и их новизна:

- предложена и разработана геоинформационная модель автоматизированной информационной системы подземных инженерных коммуникаций, основанная на совместном использовании цифровых топографических планов, кадастровых данных и специальной (технической) информации об элементах инженерных коммуникаций, обеспечивающая их непротиворечивость и эффективность использования;

- разработан комплексный классификатор цифровой топографической и инженерно-технической информации, обеспечивающий существенное повышение эффективности операций ввода-вывода и сохранение целостности структуры базы данных системы;

- выполнен анализ существующего программного обеспечения кадастровых геоинформационных систем (16 программных пакетов), на основе которого сделан вывод об оптимальности использования географической информационно-поисковой системы Мар1пГо в рамках разработанной геоинформационной модели.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- применением современных информационных технологий обработки пространственно распределенной информации;

- практическими разработками;

- положительным опытом использования предлагаемой методики ведения кадастровых работ и модифицированной геоинформационной модели на производстве.

Практическое значение работы. Предлагаемое усовершенствование способов представления и обработки разнокачественной информации о подземных инженерно-коммуникационных сетях позволяет:

- повысить оперативность проведения кадастровых и ремонтно-строительных работ;

- повысить достоверность и устранить противоречивость информации об инженерных коммуникационных сетях.

Комплексный классификатор цифровой топографической и инженерно-технической информации позволяет:

- стандартизировать процедуры ввода-вывода информации об объектах инженерных коммуникационных сетей;

- обеспечить корректность внутренней структуры цифровой базы данных;

- устранить неопределенность в описании объектов при вводе в базу данных.

Разработанное автором программное обеспечение реализует ранее недоступные функциональные возможности информационно-поисковой системы Мар1пГо по реляционному взаимодействию таблиц базовых топографических данных и технических характеристик объектов цифровой карты.

Методика проведенного анализа программного обеспечения может быть использована для выбора оптимальных ГИС-оболочек при создании кадастровых систем различной отраслевой направленности и административного уровня.

Реализация результатов работы. Результаты исследований реализованы и внедрены на предприятии тепло- и санитарно-технического обеспечения (ТиСТО) екатеринбургского аэропорта «Кольцово» по договору № 7036 от 15 сентября 1996 г. в виде автоматизированной информационной системы кадастра и обслуживания подземных инженерных коммуникаций (акт внедрения от 3 марта 1998 г.).

В 1999 г. начато ее внедрение в Управлении капитального строительства завода «Уралэлектромедь» в г. Верхняя Пышма.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях Уральской государственной горно-геологической академии в 1996, 97 гг., ХХХУ1 Научной конференции (УрГСХА, г. Екатеринбург, 1997 г.), Республиканской научно-технической конференции «80 лет Федеральной службе геодезии и картографии России» (ЕоАгоР, г. Екатеринбург, 1999 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 4 печатных работы.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, 3 приложений, изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 10 таблиц, библиографию из 64 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 приводятся результаты исследования существующих информационных систем кадастра и обслуживания подземных инженерных коммуникаций различного назначения в следующих городах России: Москве, Нижнем Новгороде, Волгограде, Рязани, Ростове-на-Дону, Находке, Томске, Обнинске и Таганроге. Эти системы дают возможность удовлетворить основные насущные проблемы эксплуатационных служб, связанные с учетом, регистрацией и мониторингом объектов инженерно-коммуникационных сетей. Информационное обеспечение указанных служб, основанное на использовании ГИС-оболочек и соответствующих аппаратных средств, повышает эффективность проведения кадастровых и оперативных работ.

В то же время имеет место недостаточная проработанность структуры моделирующей основы информационных систем - цифровой карты. Применяемые способы представления объектов инженерных сетей в большинстве случаев не позволяют решать задачи проектирования, отсутствуют средства для анализа пространственно-логических отношений (смежность, эквидистантное соседство, пересечение, примыкание и т.д.), а также осуществления таких аналитических операций геоинформационного моделирования как поиск объектов, преобразование систем координат, буферизация, оверлей, условное выделение, построение запросов к пространственной и семантической составляющим информации, генерация отчетов и др.

Недостаточно четко определена методика ведения кадастровых баз данных с точки зрения способов представления, ввода и вывода информации в стандартизированном виде: применяемые в указанных системах классификаторы цифровой топографической информации предлагают используемые в традиционной картографии описания объектов. Класси-

фикаторы различных исходных масштабов топографических карт содержат различные способы представления объектов, что неприемлемо при моделировании инженерно-коммуникационных сетей.

Недостаточное внимание уделяется выбору базового программного обеспечения. Используемые предприятиями ГИС-оболочки являются либо недостаточно мощными, либо перенасыщенными функциональными возможностями. Такая ситуация объясняется дефицитом информации о существующих программных средствах для геоинформационных систем, дороговизной зарубежных ГИС, а также недостаточным развитием отечественных разработок в этой области.

Проведенный анализ существующих систем кадастра и обслуживания подземных инженерных коммуникаций позволил установить виды кадастровой и оперативной информации и наметить способы повышения эффективности проведения кадастровых работ с использованием функциональных возможностей автоматизированных геоинформационных систем.

Информация о подземных инженерных коммуникациях, включающих разнокачественные объекты, собирается и хранится в виде сложных систем следующих типов документов: карт, схем, таблиц, описаний, фотографий, чертежей (разрезов), приказов, нормативно-справочной информации (НСИ).

Техническая информация об элементах подземных инженерных сетей хранится в технических паспортах, кадастровых картах (планах), регистрационных документах соответствующих служб и состоит из совокупности следующих данных: номеров объектов, глубин заложения, дат заложения, качества и типа фунта, условий размещения, материала объекта, материала изоляции, диаметров труб или сечений кабелей, давления жидкости/газа, электрического напряжения, температуры воды, даты последнего ремонта, элементов координатной привязки объектов, протяженности,

степени или коэффициента износа, лиц, ответственных за техническое состояние объекта.

Геометрические характеристики представляются в векторном топологическом виде. Для описания семантической информации используется система реляционных таблиц. Связь обеих составляющих строится на основе геореляционной модели.

Описанные характеристики подземных инженерно-коммуникационных сетей представляют собой сложную систему информации, которая обеспечивает проведение следующих видов работ:

- инвентаризацию объектов распределенной производственной и вспомогательной инфраструктуры предприятий инженерных сетей, ведение технической документации;

- помощь в организации обслуживания клиентов и расчетов с ними за предоставляемые ресурсы (электроэнергию, воду, газ);

- анализ деятельности предприятия и качества обслуживания потребителя;

- диспетчерское управление в дежурном режиме эксплуатации;

- оперативное реагирование на аварии и чрезвычайные ситуации, в том числе внешние по отношению к данной конкретной инженерной сети;

- обеспечение профилактических и аварийных ремонтных работ;

- выполнение полевых работ и исполнительной съемки;

- экспликацию технической информации объектов инженерно-коммуникационных сетей;

- диспетчеризацию ремонтно-строительных работ;

- выдачу отчетов;

- определение охранных зон;

- сбор технической информации об объектах сетей, мониторинг состояния и предотвращение аварийных ситуаций;

- стратегическое планирование, прогнозирование и выявление потребностей в проектировании и развитии инженерных сетей;

- обеспечение взаимодействия и проведение согласований со службами, проектирующими, строящими и эксплуатирующими инженерные сети, а также с другими территориальными службами и органами управления (земельным кадастром, органами охраны окружающей среды, комитетами ГО и ЧС и т.д.).

В главе 2 рассмотрена структура геоинформационной модели информационной системы подземных инженерных коммуникаций, изображенная на рисунке 1. Она характеризуется физической и информационной

Рисунок 1 - Структура геоинформационной модели системы подзем-

ных инженерных коммуникаций

составляющей, взаимодействие которых определяет эффективность системы в целом и обеспечивают выполнение ее основной функции - эффективного безаварийного режима эксплуатации подземных инженерных коммуникаций. С целью анализа недостатков системы и механизмов реализации

ее основной функции построена функциональная схема информационной системы, представленная на рисунке 2.

вщ,

|нси

Получение оперативной информации

—у—

Техническое обеспечение

Кадастровая информация

¿Алгоритмы | Методики |НСИ

Анализ оперативной и кадастровой информации

т

Техническое и программное обеспечение

Согласование информации с предприятиями * Ведение н архивов

\ Техническое и программное обеспечение Техническое и программное обеспечение

1нси

Проведение ремонтно-

¿НСИ

Выдача отчетов

Выхоф

Техническое и

программное

обеспечение

строительных работ

Дополнение информации

Техническое обеспечение

Рисунок 2 - Функциональная схема информационной системы

Последовательная декомпозиция функциональных блоков позволила выявить информационные потоки, их содержательное наполнение, выработать требования к структуре базы данных системы с учетом условия необходимости согласования информации с различными эксплуатационными и административными службами.

Различная степень актуализации и характер содержательного описания кадастровых дежурных планов и технических паспортов приводят к рассогласованию и противоречивости хранящихся в них сведений. Эффективное решение данной проблемы заключается в объединении дежурных планов и технических паспортов в реляционную систему таблиц (слоев), связь между которыми осуществляется посредством программного обес-

печения. В качестве базового информационного слоя необходимо использовать цифровые топографические планы территорий масштаба 1:500. Дополнительные уточняющие ситуацию сведения об элементах подземных инженерных коммуникаций извлекаются из инвентаризационных карт БТИ и кадастровых дежурных планов предприятий масштаба 1:1000. Точность нанесения объектов перечисленных материалов составляет 0.2 мм. Технические паспорта имеются в распоряжении эксплуатационных служб и цифруются отдельно. Реляционное взаимодействие между кадастровой и технической составляющими осуществляется специальным программным обеспечением. Схема предлагаемой обшей структуры цифровой базы данных изображена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Общая структура цифровой базы данных

С целью соблюдения корректности иерархической и внутрислоевой структуры информации, стандартизации способов геометрического представления объектов в виде примитивов, организации корректной топологической структуры, согласно требованиям к пространственно-логическим отношениям между объектами, а также обеспечения заполнения базы дан-

ных первичной информацией - классификационными именами, идентификаторами и кодовыми обозначениями объектов разработан комплексный классификатор цифровой топографической и инженерно-технической информации. Структура классификатора изображена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Структура классификатора

Применение перечисленных выше новых функциональных возможностей наиболее эффективно в процессе ведения кадастровой базы данных системы.

Проведенный анализ типов кадастровой и оперативной информации, видов работ и способов их проведения позволил определить набор необходимых аналитических и графических функций, а также выработать требования к программному обеспечению информационной системы подземных инженерных коммуникаций. С этой целью исследованы 16 существующих ГИС-оболочек (ЛгсЛпАэ РС, Агс/1пй> АгсСАЭ, САЭс1у,

CAD CREDO, GeoCad System, GeoDraw/GeoGraph, Intergraph, Maplnfo, Microstation MAP, PC ArcView, Sicad/Open, Sinteks/Tri, WinGIS, ГИС-ПАРК, Панорама), их системные требования и сделан вывод о том, что задачи кадастра и обслуживания подземных инженерных коммуникаций целесообразно решать на основе географической информационно-поисковой системы Maplnfo с применением дополнительно разработанного автором диссертации программного обеспечения.

Требования к аппаратному обеспечению выработаны по результатам анализа кадастровой и оперативной деятельности ряда производственных предприятий с учетом системных требований ГИС-оболочки Maplnfo. В таблице 1 приводятся требования к технической и программной оснащенности рабочего места оператора и администратора геоинформационной системы кадастра и обслуживания подземных инженерных коммуникаций.

Таблица 1 - Программно-аппаратное обеспечение рабочего места опера-

тора и администратора геоинформационной системы

Параметры рабочего места ; .у: .^Оператор fe'^vi Администратор ;

Операционная система Windows 9х Windows 9х

ГИС-пакет Maplnfo 4.0.2 Maplnfo 4.0.2

Платформа Intel Pentium 200 MHz Intel Pentium Pro 200 MHz

RAM 64 MB 64 MB

HDD 1.0 GB IDE 4.0 GB SCISI

Видео-адаптер 2Mb (PCI) 1Mb (PCI)

Монитор SVGA 17" 1600*1200 SVGA 14" 800*600

Сетевая карта 10MBPS (ISA/PCI) 10MBPS (ISA/PCI)

Устройство чтения CD-ROM - 24х

Принтер Струйный цветной формата A3 Струйный ч/б формата A4

Глава 3 посвящена особенностям практической реализации разработанной автоматизированной геоинформационной системы кадастра и обслуживания подземных инженерных коммуникаций. Анализируются актуальность и содержательность существующих исходных картографических материалов. Приводится технологическая схема создания системы с учетом новых предложений и разработок: методов ввода первичной топографической и технической информации в систему, создания дополнительного программного обеспечения, реализующего связь между базовой топографической информацией и техническими характеристиками объектов сетей на основе реляционной модели. Дается перечень наиболее типичных ошибок в структуре цифровой карты системы и способы их исключения. В качестве иллюстраций приводятся фрагменты отдельных слоев и фрагмент цифровой карты системы.

Исходными картографическими материалами для создания цифровой кадастровой базы данных системы стали издательские оригиналы топографических планов масштаба 1:500 и инвентаризационные карты БТИ масштаба 1:1000 на территорию аэропорта «Кольцово» и прилегающего к нему поселка. С целью уточнения ситуационного содержания использованы дежурные планы и схемы предприятий электроснабжения и связи. Для цифрования этих материалов использована технология сканирования с последующей экранной векторизацией растровых изображений, которая вносит ошибку в координаты объектов порядка 0.05-0.10 мм. Результирующая точность нанесения объектов полученной цифровой карты составила 0.25-0.30 мм, что отвечает требованиям, предъявляемым к кадастровым материалам со стороны БТИ и эксплуатационных организаций.

Цифрование выполнялось с применением разработанного комплексного классификатора цифровой топографической и инженерно-технической информации, позволившего дифференцировать объекты цифровой

карты по характеру локализации и тематической принадлежности. Это обеспечило корректность иерархической и внутрислоевой структуры базы данных, соответствие способов представления объектов цифровой кадастровой карты предложенной геоинформационной модели, а также заполнение базы данных первичной информацией (классификационными именами, идентификаторами, кодовыми обозначениями и стилями графического представления объектов).

Для заполнения базы данных техническими характеристиками объектов инженерных коммуникаций использованы технические паспорта тепловых камер службы тепло- и санитарно-технического обеспечения. Изображения разрезов объектов представлены в системе в растровом виде. Параметры элементов камер хранятся в электронной табличной форме.

Связь между топографической (базовой) и технической (дополнительной) информацией об объектах инженерных сетей устанавливается по принципу реляционного взаимодействия. Для этой цели использовано специально разработанное автором программное обеспечение, интегрированное в ГИС-оболочку Мар1п<о.

На заключительном этапе создания автоматизированной информационной системы была проведена оценка качества цифровой кадастровой карты, критериями которой являются:

- корректность топологической структуры цифровой карты;

- полнота ситуационного содержания.

Исследования показали, что качество цифровой карты связано с антропометрическими составляющими процесса цифрования, а также актуальностью исходных картографических материалов.

По результатам проведенного анализа выработаны следующие рекомендации, повышающие качество цифрового картографического материала:

- восстановление корректности топологической структуры возможно при повторном редактировании соответствующих слоев цифровой карты;

- полнота ситуационного содержания обеспечивается проведением полевых геодезических измерений, а также на основе геофизических данных и материалов аэрофотосъемки.

В главе 4 приведены результаты внедрения первой очереди разработанной геоинформационной системы кадастра и обслуживания подземных инженерных коммуникаций на предприятии ТиСТО екатеринбургского аэропорта «Кольцово». Анализируются результаты опытной эксплуатации, рассматриваются возможности дальнейшего повышения эффективности системы и внедрения ее в производство на предприятиях связи и электроснабжения аэропорта «Кольцово», а также инфраструктуры жилого поселка.

Эксплуатация первой очереди автоматизированной геоинформационной системы кадастра и обслуживания подземных инженерных коммуникаций обеспечило рост эффективности работ по следующим основным направлениям деятельности предприятия:

- мониторинга состояния подземных инженерных коммуникаций;

- диспетчеризации ремонтно-восстановительных работ;

- реконструкции и расширении существующей сети трубопроводов;

- сбора необходимой технической информации;

- проведения согласований по взаимодействию с другими службами.

Функции условного выделения позволяют определять участки трубопроводных сетей для первоочередного проведения ремонтно-восстановительных работ. Встроенные операторы пространственных измерений и 8(}Ь-запросов предоставляют возможность выполнить расчеты протяженности участков и заполнения трубопроводных сетей. Использование функций буферизации и оверлея позволяет скорректировать положение и раз-

меры охранных зон инженерных коммуникаций и сооружений, а также выявить нарушения, допущенные при выделении участков под строительство.

Внедрение первой очереди автоматизированной геоинформационной системы кадастра и обслуживания подземных инженерных коммуникаций на территории екатеринбургского аэропорта «Кольцово» повысило оперативность выдачи информации потребителям в 300-360 раз и показало ее полную работоспособность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной научной и практической задачи совершенствования способов представления, обработки и выдачи разнородной информации в рамках автоматизированной геоинформационной системы для обеспечения эффективного безаварийного режима эксплуатации подземных инженерных коммуникаций.

1 В результате выполненных исследований выявлены основные недостатки традиционного способа ведения кадастровых работ, которые не обеспечивают своевременного и правильного принятия решений при учете, эксплуатации, ремонте и модернизации инженерных коммуникационных сетей.

2 Предложена методика согласования разнородной кадастровой, технической, а также топографической информации в рамках единой непротиворечивой системы на предприятиях, ведущих учет и эксплуатацию инженерных сетей, которая позволила:

- обеспечить целостность семантической структуры системы;

- повысить достоверность информации о подземных инженерно-коммуникационных сетях;

- повысить оперативность проведения кадастровых и ремонтно-строительных работ;

- обеспечить своевременное проведение согласований по взаимодействию различных эксплуатационных служб.

3 Разработан комплексный классификатор цифровой топографической и инженерно-технической информации, который позволяет:

- стандартизировать способы геометрического представления объектов в виде примитивов;

- организовать корректную топологическую структуру, согласно требованиям к пространственно-логическим отношениям между объектами;

- соблюсти корректность иерархической и внутрислоевой структуры базы данных информационной системы;

- обеспечить заполнение базы данных первичной информацией -классификационными именами, идентификаторами и кодовыми обозначениями объектов.

4 Проведен анализ программного обеспечения геоинформационных систем, методика которого может быть использована для выбора оптимальных ГИС-оболочек при создании автоматизированных информационных систем инженерных коммуникаций различной отраслевой направленности.

5 Разработанное автором программное обеспечение реализует ранее недоступные функциональные возможности информационно-поисковой системы МарМо по реляционному взаимодействию таблиц базовых топографических данных и технических характеристик объектов цифровой карты.

6 Внедрена первая очередь автоматизированной геоинформационной системы кадастра и обслуживания подземных инженерных коммуникаций екатеринбургского аэропорта «Кольцово», которая обеспечивает учет и обслуживание 400 км коммуникаций на территории площадью 3.5 км2 и успешно эксплуатируется в рабочем режиме.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СОДЕРЖАТСЯ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1 Русаков Г.В. Информационная система ведения кадастра подземных инженерных сетей // II Научно-техническая конференция: Тез. докл. - Екатеринбург, 1997. - С. 27 - 28.

2 Русаков Г.В. Предпосылки и перспективы использования геоинформационных систем и принципов интегрированной картографии в кадастровых системах // ХХХУ1 Научная конференция: Тез. докл. — Екатеринбург, 1997.-С. 12.

3 Русаков Г.В. Технологическая схема цифрования картографической информации // Введение в геоинформатику горного производства / Под ред. В.С. Хохрякова: Учебное пособие / Уральская государственная горногеологическая академия. - Екатеринбург. - 1999. - С. 86 - 90.

4 Русаков Г.В. Создание универсального ГИС-инструмента как основы для разработки ГИС-приложений // Республиканская научно-техническая конференция «80 лет Федеральной службе геодезии и картографии»: Тез. докл. - Екатеринбург, 1999. - С. 16.

Формат бумаги 60x84 1/16 Тираж 100 экз. Заказ № АО

Подписано в печать 10.02.2000 Печ.л. 1,375 Автореферат.

620219, г. Екатеринбург, ул. К. Либкнехта, 42 Типография ТОО «ИРА УТК»

Введение.

Глава 1 Обзор современного состояния кадастровых систем подземных инженерных коммуникаций.

1.1 Современные геоинформационные системы кадастра и обслуживания подземных инженерных коммуникаций.

1.2 Основные кадастровые и технические характеристики объектов подземных инженерных коммуникаций.

1.3 Учет, хранение и выдача информации о подземных инженерных коммуникациях. Виды кадастровых работ.

Глава 2 Разработка геоинформационной модели системы подземных инженерных коммуникаций.

2.1 Функциональная схема.

2.2 Основы математического моделирования подземных инженерных коммуникаций.

2.3 Геометрические и семантические характеристики моделируемых объектов.

2.4 Цифровая карта и ее структура.

2.5 Визуализация информации.

2.6 Исходные картографические материалы.

2.7 Программное обеспечение.

Глава 3 Практическая реализация автоматизированной геоинформационной системы подземных инженерных коммуникаций.

3.1 Задачи системы.

3.2 Технологическая схема.

3.3 База данных.

Глава 4 Внедрение геоинформационной системы подземных инженерных коммуникаций.

4.1 Внедрение в производство.

4.2 Результаты опытной эксплуатации.

Актуальность темы. Современные предприятия - сложные многофакторные комплексы природного и техногенного происхождения. Управление такими комплексами, характеризующимися большими объемами разнокачественной информации, является сложной задачей, решение которой зависит от методов обработки информации и форм ее представления.

Продолжительная эксплуатация предприятий приводит к полному или частичному изменению технологических схем, проектных контуров, замене оборудования, изменению конфигурации транспортных и других коммуникационных сетей, что обуславливает необходимость их реконструкции. Принятие соответствующих решений невозможно без налаженной информационной системы.

Значительную роль в обеспечении функционирования объектов инфраструктуры территорий, городов и предприятий играют информационные системы инженерных коммуникаций. Существующие автоматизированные геоинформационные системы (ГИС) используют методики анализа и представления информации, применение которых зачастую затруднительно или невозможно в сфере кадастра и обслуживания инженерных коммуникаций. В этой связи совершенствование методики ведения кадастровых работ, разработка способов согласования разнокачественной информации об элементах инженерных коммуникаций и оптимизация используемых геоинформационных моделей является актуальной задачей. Успешное ее решение позволяет повысить оперативность ввода-вывода информации и ее достоверность, повысить эффективность управления, снизить материальные расходы, использовать накопленные данные в других отраслях науки и производства.

Цель работы - разработка геоинформационной системы подземных инженерных коммуникаций путем совершенствования способов представления и обработки разнородной информации для обеспечения эффективного безаварийного режима эксплуатации.

Идея работы заключается в оптимизации геоинформационной модели автоматизированных информационных систем предприятий, что достигается разработкой и использованием методики согласования разнокачественной кадастровой и технической информации, стандартизацией процедур ввода, обработки и вывода цифровой топографической и инженерно-технической информации об объектах сетей, выбором эффективного программного обеспечения информационных систем.

Основные научные результаты и их новизна:

- предложена и разработана геоинформационная модель автоматизированной информационной системы подземных инженерных коммуникаций, основанная на совместном использовании цифровых топографических планов, кадастровых данных и специальной (технической) информации об элементах инженерных коммуникаций, обеспечивающая их непротиворечивость и эффективность использования;

- разработан комплексный классификатор цифровой топографической и инженерно-технической информации, обеспечивающий существенное повышение эффективности операций ввода-вывода и сохранение целостности структуры базы данных системы;

- выполнен анализ существующего программного обеспечения кадастровых геоинформационных систем (16 программных пакетов), на основе которого сделан вывод об оптимальности использования географической информационно-поисковой системы Мар1пй> в рамках разработанной геоинформационной модели.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

-6- применением современных информационных технологий обработки пространственно распределенной информации;

- практическими разработками;

- положительным опытом использования предлагаемой методики ведения кадастровых работ и модифицированной геоинформационной модели на производстве.

Практическое значение работы. Предлагаемое усовершенствование способов представления и обработки разнокачественной информации о подземных инженерно-коммуникационных сетях позволяет:

- повысить оперативность проведения кадастровых и ремонтно-строительных работ;

- повысить достоверность и устранить противоречивость информации об инженерных коммуникационных сетях.

Комплексный классификатор цифровой топографической и инженерно-технической информации позволяет:

- стандартизировать процедуры ввода-вывода информации об объектах инженерных коммуникационных сетей;

- обеспечить корректность внутренней структуры цифровой базы данных;

- устранить неопределенность в описании объектов при вводе в базу данных.

Разработанное автором программное обеспечение реализует ранее недоступные функциональные возможности информационно-поисковой системы Мар1п1Ъ по реляционному взаимодействию таблиц базовых топографических данных и технических характеристик объектов цифровой карты.

Методика проведенного анализа программного обеспечения может быть использована для выбора оптимальных ГИС-оболочек при создании кадастровых систем различной отраслевой направленности и административного уровня.

Реализация результатов работы. Результаты исследований реализованы и внедрены на предприятии тепло- и санитарно-технического обеспечения (ТиСТО) екатеринбургского аэропорта «Кольцово» по договору № 7036 от 15 сентября 1996 г. в виде автоматизированной информационной системы кадастра и обслуживания подземных инженерных коммуникаций (акт внедрения от 3 марта 1998 г.).

В 1999 г. начато ее внедрение в Управлении капитального строительства завода «Уралэлектромедь» в г. Верхняя Пышма.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях Уральской государственной горно-геологической академии в 1996, 97 гг., ХХХУ1 Научной конференции (УрГСХА, г. Екатеринбург, 1997 г.), Республиканской научно-технической конференции «80 лет Федеральной службе геодезии и картографии России» (ЕоАгоР, г. Екатеринбург, 1999 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 4 печатных работы.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, 3 приложений, изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 10 таблиц, библиографию из 64 наименований.

-105-ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной научной и практической задачи совершенствования способов представления, обработки и выдачи разнородной информации в рамках автоматизированной геоинформационной системы для обеспечения эффективного безаварийного режима эксплуатации подземных инженерных коммуникаций.

1 В результате выполненных исследований выявлены основные недостатки традиционного способа ведения кадастровых работ, которые не обеспечивают своевременного и правильного принятия решений при учете, эксплуатации, ремонте и модернизации инженерных коммуникационных сетей.

2 Предложена методика согласования разнородной кадастровой и технической информации в рамках единой непротиворечивой системы на предприятиях, ведущих учет и эксплуатацию инженерных сетей, которая позволила:

- обеспечить целостность семантической структуры системы;

- повысить достоверность информации о подземных инженерно-коммуникационных сетях;

- повысить оперативность проведения кадастровых и ремонтно-строительных работ;

- обеспечить своевременное проведение согласований по взаимодействию различных эксплуатационных служб.

3 Разработан комплексный классификатор цифровой топографической и инженерно-технической информации, который позволяет:

- стандартизировать способы геометрического представления объектов в виде примитивов;

-106- организовать корректную топологическую структуру, согласно требованиям к пространственно-логическим отношениям между объектами;

- соблюсти корректность иерархической и внутрислоевой структуры базы данных информационной системы;

- обеспечить заполнение базы данных первичной информацией -классификационными именами, идентификаторами и кодовыми обозначениями объектов.

4 Проведен анализ программного обеспечения геоинформационных систем, методика которого может быть использована для выбора оптимальных ГИС-оболочек при создании автоматизированных информационных систем инженерных коммуникаций различной отраслевой направленности.

5 Разработанное автором программное обеспечение реализует ранее недоступные функциональные возможности информационно-поисковой системы МарМо по реляционному взаимодействию таблиц базовых топографических данных и технических характеристик объектов цифровой карты.

6 Внедрена первая очередь автоматизированной геоинформационной системы кадастра и обслуживания подземных инженерных коммуникаций екатеринбургского аэропорта «Кольцово», которая обеспечивает учет и обслуживание 400 км коммуникаций на территории площадью 3.5 км2 и успешно эксплуатируется в рабочем режиме.

Екатеринбург 1996

-1081 Введение

Создание информационных систем продиктовано необходимостью повышения эффективности управленческих решений, прямо зависящих от полноты, достоверности и оперативности используемой информации. Эффективный поиск, хранение, выдача необходимой пользователю информации в удобной для него форме, связь текстовой информации с картографической позволяют применить цифровую карту с заполненным информационным банком в области кадастра и обслуживания инженерных сетей.

2 Основания для разработки

Настоящее техническое задание является приложением к договору № 7036 от 15 сентября 1996 г. ТЗ может дорабатываться и уточняться в процессе разработки в виде отдельного, согласованного протокола.

3 Назначение разработки

3.1 Информационная система (ИС) создается с целью автоматизации процесса сбора, хранения, обработки и выдачи картографической и текстовой информации об инженерных сетях аэропорта и пгт. Кольцо-во.

3.2 Программные средства ИС поставляются в режиме минимально необходимого набора пользовательских функций, с возможностью их дальнейшего расширения.

-1093.3 ИС имеет в своем составе два взаимосвязанных компонента: цифровую карту местности и базу данных по инженерным сетям.

3.4 ИС должна обеспечивать принципиальную возможность интеграции с другими информационными системами, на основе поддержки наиболее часто используемых стандартов и протоколов обмена информацией.

3.5 ИС должна иметь документацию, полностью описывающую процесс установки и работы системы.

4 Требования к продукции

4.1 Требования к банку данных

4.1.1 Банк данных (БД) состоит из цифровой карты местности, содержащей пространственные объекты расположенные на, над и под поверхностью земли и реляционной базы данных, содержащей атрибутивные данные по этим объектам, при этом должна обеспечиваться связь между графическими и текстовыми данными.

4.1.2 Цифровая карта создается в топологическом формате, учитывающим пространственно-логические отношения между объектами, что позволяет в дальнейшем использовать ее в автоматизированных системах управления и экспертных системах.

4.1.3 Цифровая карта создается по исходным оригиналам карт масштаба 1:500 и инвентаризационным картам БТИ и должна содержать все сведения, представленные на них.

-1104.1.4 Точность цифровой карты должна быть не хуже 0.30 мм в масштабе исходного оригинала.

4.1.5 Цифровая карта организуется в виде слоев, построенных по тематическому признаку. Водопровод, канализация, электрические и тепловые сети должны быть выделены в отдельные слои.

4.1.6 Атрибутивные данные должны быть организованы в виде реляционных таблиц. Каждой записи реляционной таблицы должен быть поставлен в соответствие графический объект на цифровой карте.

4.1.7 Организацию и разработку структур данных в таблицах и цифровых картах предоставляется выбрать Исполнителю, на основе прилагаемых к данному ТЗ образцов картматериалов и описательных (текстовых) данных.

4.1.8 Атрибутивная информация для банка данных берется из двух источников: путем дешифрирования карт (подписей характеристик объектов) и из технических паспортов водопроводных, канализационных и тепловых сетей. Полнота содержания цифровой информации должна соответствовать полноте исходной информации.

4.2 Требования к базовому программному обеспечению

4.2.1 Программное обеспечение (ПО) должно обеспечивать ввод, редактирование, отбор, и отображение (в виде графиков, цифровых тематических карт, таблиц и т.д.) всей хранимой в банке данных информации.

-1114.2.2 ПО должно иметь встроенные средства для формирования следующих выходных документов.

1 цифровых карт (изображенных в условных знаках и подписях максимально приближенных к стандартным, в пределах технической возможности );

2 цифровых тематических карт (в условных знаках изображающих значения параметра, взятого из атрибутивных данных);

3 реляционных таблиц;

4 смешанных форм отчетов, содержащих цифровые карты, пояснительные подписи, таблицы и легенды.

4.2.3 В режиме минимальных функциональных возможностей система должна обеспечивать выдачу следующих документов на принтер:

1 цифровой карты на произвольный, выбираемый оператором участок местности, оформленную согласно п. 4.2.2;

2 технического паспорта на инженерные коммуникации (в виде таблиц);

3 цифровой карты колодцев (схема).

4.2.4 ПО должно иметь средства для отбора информации из БД по значениям атрибутивных данных и по пространственно-логическим отношениям.

4.2.5 ПО должно иметь средство для разработки приложений, в виде встроенного языка программирования, имеющего доступ ко всем средствам и инструментам системы.

-1124.2.6 ПО должно поддерживать протоколы обмена информацией в среде Windows 95 такие как ODBC, DDE и ClipBoard, быть сервером OLE для цифровых карт и иметь средства для конвертирования цифровых карт в формат DXF и таблиц в формат DBF.

5 Исходные материалы для создания банка данных

5.1 Для создания цифровой карты местности используются стандартные номенклатуры масштаба 1:500, на пластиковой основе в количестве 50 шт., на территорию пгт. Кольцово.

5.2 Для дополнения цифровой карты используются инвентаризационные карты инженерных сетей масштаба 1:1000, нестандартного размера.

5.3 Для заполнения банка данных по инженерным коммуникациям используются инвентаризационные ведомости инженерных сетей (технические паспорта).

-113

1.H. Теория и методика расчета систем подачи и распределения воды. - М.: Стройиздат, 1972. - 288 с.

2. Андрияшев М.М. Гидравлические расчеты водоводов и водопроводных сетей. М: Стройиздат, 1964. - 107 с.

3. Бахтин A.B., Демин В.И., Козодой В.И. Проектирование систем водоснабжения с помощью методов математического моделирования. Новосибирск, 1988. - 29 с. (Препр. / АН СССР. Сиб. от-ние. Ин-т народного хозяйства; № 80).

4. Берж К. Теория графов и ее применения. М.: изд-во Иностр. мир., 1962.-320 с.

5. Берлянт A.M. Геоинформационное картографирование. В кн.: Картография и геоинформатика. Итоги науки и техники, сер. Картография. М., ВИНИТИ АН СССР, 1991, т. 14. - С. 80-117.

6. Вайсфельд В.А., Ексаев А.Р. Геоинформационные технологии и городские инженерные сети основные принципы интеграции //ГИС-Ассоциация. Информационный бюллетень. - 1997. - № 1(8).

7. Вайсфельд В.А., Ексаев А.Р. ГИС в задачах эксплуатации инженерных коммуникаций //ГИС-Ассоциация. Информационный бюллетень. 1997. - № 5(12).

8. Введение в геоинформатику горного производства / Под ред. B.C. Хохрякова: Учебное пособие. Екатеринбург: - Изд-во УГГГА, 1999.-1179 Вязгин В.А., Федоров В.В. Математические методы автоматизированного проектирования. М.: Высш. шк., 1989. - 184 с.

9. Гармиз И.В., Кошкарев A.B., Межеловский Н.В., Рамм Н.С. Геоинформационные технологии: принципы, международный опыт, перспективы развития. М., ВИЭМС, 1989. 55 с.

10. Гладкий В.И., Спиридонов В.А. Городской кадастр и его картографо-геодезическое обеспечение. М.: Недра. 1991. - 252 е.: ил.

11. Голиков А.П., Черванев И.Г., Трофимов A.M. Математические методы в географии. Харьков, Вища школа, 1986. - 144 с.

12. Гончаренко C.B., Гуральник M.JL, Фетман H .Я. О некоторых подходах в проблеме ГИС и инженерные сети //ГИС-Ассоциация. Информационный бюллетень. 1997. - № 5(12).

13. Громов Н.К. Городские теплофикационные системы. М.: Энергия, 1974.-253 с.

14. Дейт, К. Дж. Введение в системы баз данных.: Пер. с англ.-6-е изд.-К.: Диалектика, 1998. 784 е.: ил.

15. Евдокимов А.Г., Дубровский В.В., Тевяшев А.Д. Потокорас-пределение в инженерных сетях. М.: Стройиздат, 1979. - 199 с.

16. Зингер Н.М., Андреева К.С. Расчет гидравлических режимов тепловых сетей в аварийных условиях // Электрические станции. 1970.-№ 10.

17. Инструкция по топографической съемке в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:500.-М.: Недра, 1985.

18. Карташев C.B., Королев Ю.К., Кошелев И.М., Кульчицкая И.А. // Муниципальные ГИС (материалы конференции) Обнинск 95. -С. 39-40.

19. Картография. Вып. 4. Геоинформационные системы: Сб. пе-рев. статей/ Сост., ред. и предисл. A.M. Берлянт и B.C. Тикунов. М.: «Картгеоцентр» - «Геодезиздат», 1994. - 350 е.: ил.

20. Кираковский В.В. Организационные и экономические аспекты создания единой городской информационной системы инженерных сетей и сооружений //ГИС-Ассоциация. Информационный бюллетень. -1997.-№ 5(12).

21. Копаев Г.В. ГИС в Нижнем Новгороде //ГИС-Ассоциация. Информационный бюллетень. 1999. - № 1(18).

22. Королев Ю.К. Общая геоинформатика Часть 1. Теоретическая геоинформатика Выпуск 1. СП ООО Дата+, 1998. 118 с.

23. Кошкарев A.B., Каракин В.П. Региональные геоинформационные системы. М.: Наука, 1987. - 126 с.

24. Кошкарев A.B., Тикунов B.C. Геоинформатика / Под ред. Д.В. Лисицкого. М.: «Картгеоцентр» - «Геодезиздат», 1993. -213 е.: ил.

25. Лисицкий Д.В. Современные проблемы геоинформационного обеспечения регионов и крупных городов. «Геодезия и картография», 1995, №3.-С. 46-48.

26. Мараховский Я.М., Тикунов B.C. Некоторые структуры для представления пространственных данных в географических информационных системах. В кн.: Автоматизированная картография и геоинформатика. - М., 1990. - С. 41-63.

27. Мартин Дж. Организация баз данных в вычислительных системах. М.: Мир, 1980. - 662 с.

28. Мартыненко А.И. Картографическое моделирование и геоинформационные системы. «Геодезия и картография». 1994, № 9. -С. 43-45.

29. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения / А.П. Меренков, Е.В. Сеннова,-120

30. С.В. Сумароков и др. Новосибирск: ВО «Наука», Сибирская издательская фирма, 1992. - 407 с. •

31. Меренков А.П. Математические модели и методы для анализа и оптимального проектирования трубопроводных систем: Автореф. дис. .д-ра физ.-мат. наук. Новосибирск: секция кибернетики объединенного ученого совета СО АН СССР, 1974. - 34 с.

32. Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей. -М.: Наука. 1985.-278 с.

33. Мещеряков Г.А. Теоретические основы математической картографии. М.: Недра, 1968. - 160 с.

34. Об автоматизированных системах программ для расчета гидравлических режимов. трубопроводных сетей / А.П. Меренков, К.С. Светлов, М.К. Такайшвили, В.Я. Хасилев // Изв. АН СССР. Энергетика и трансп. 1973. - № 3.

35. Панкратов B.C., Дубинский A.B., Сиперштейн Б.И. Информационно-вычислительные системы в диспетчерском управлении газопроводами. Л.: Недра. Ленингр. от-ние, 1988. - 246 с.

36. Першиков В.И., Савинков В.М. Толковый словарь по информатике. М.: Финансы и статистика, 1991. - 136 с.

37. Рабченюк В.Н. Ступени создания и развития ГИС Волгограда //ГИС-Ассоциация. Информационный бюллетень. 1998. - № 5(17).

38. Реза Ф., Сили С. Современный анализ электрических цепей. -М.; Л.: Энергия, 1964. 480 с.

39. Русаков Г.В. Геоинформационные системы, их структура и функции. Методические материалы в помощь студентам, изучающим геодезию с основами землеустройства. (Ред.: Ухналев В. А.) // Екатеринбург, УрГСХА, 1999. 27 с.

40. Русаков Г.В. Информационная система ведения кадастра подземных инженерных сетей // II Научно-техническая конференция: Тез. докл. Екатеринбург, 1997. - С. 27.

41. Русаков Г.В. Пакет программ «Урал-ГИС»: структура, сопро^ вождение, доработка // I Научно-техническая конференция: Тез. докл. -Екатеринбург, 1996. С. 14.

42. Русаков Г.В. Предпосылки и перспективы использования геоинформационных систем и принципов интегрированной картографии в кадастровых системах // XXXYI Научная конференция: Тез. докл. Екатеринбург, 1997. - С. 12.

43. Русаков Г.В. Создание универсального ГИС-инструмента как основы для разработки ГИС-приложений // Республиканская научно-122техническая конференция «80 лет Федеральной службе геодезии и картографии»: Тез. докл. Екатеринбург, ! 999. - С. 16.

44. Свами М., Тхуласирман К. Графы, сети и алгоритмы. М.: Мир, 1984.- 455 с.х 51 Сербенюк С.Н., Тикунов B.C. Автоматизация в тематической картографии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1984. - 112 с.

45. Сомов М.А. Водопроводные системы и сооружения. М.: Стройиздат, 1988. - 398 с.

46. Тикунов B.C. Вопросы моделирования в картографии. В кн.: Научно-технический прогресс и проблемы теории картографии. М., МФ ВГО 1987. - С. 68-77.

47. Тикунов B.C. Географические информационные системы: сущность, структура, перспективы. В кн.: Картография и геоинформатика. Итоги науки и техники, сер. Картография. М., ВИНИТИ АН СССР, 1991, т. 14. - С. 6-79.

48. Условные знаки для топографических планов масштабов 1:5000, 1:2000, 1:1000 и 1:500. М.: Недра, 1989.

49. Халугин Е.И., Жалковский Е.А., Жданов Н.Д. Цифровые карты. Под. ред. Е.И. Халугина. М.: Недра, 1992. - 419 с.

50. Хохряков B.C. Геоинформатика в горном производстве // Горные науки и промышленность. М.: Недра, 1989. - 318 с.

51. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. -М.: Финансы и статистика, 1998. 228 с.

52. Цуканов В.А., Зотов М.А. Использование ГИС в управлении тепловыми сетями //ГИС-Ассоциация. Информационный бюллетень. -1999.-№ 1(18).

53. Шайтура C.B. Геоинформационные системы и методы их создания. Калуга: издательство Н. Бочкаревой, 1998. - 252 е.: ил.

54. Ширяев Е.Е. Картографическое отображение, преобразование и анализ геоинформации. М.: Недра, 1989. -248 с.

55. Элти Дж., Кумбс М. Экспертные системы: концепции и примеры. М.: Финансы и статистика, 1987. - 191 с.

56. Энкарначчо Ж., Шлехтендаль Э.Г. Автоматизированное проектирование: Основные понятия и архитектура систем. М.: Радио и связь, 1986.-278 с.

57. Яровых В.Б. Проблемы качества векторных цифровых карт для ГИС //ГИС-Ассоциация. Информационный бюллетень. 1996. -№ 4(6).