автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Метод и система моделирования природно-технических комплексов на базе электронных карт

На правах рукописи

Сагидова Марина Леонидовна

Метод и система моделирования природно-технических комплексов на базе электронных карт

Специальность 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Петрозаводск - 2004

Работа выполнена в Институте информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра РАН

Научный руководитель:

д.т.н., профессор, лауреат премии правительства РФ Путилов В.А.

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Никифоров В.В. к.т.н. Павлов В.А.

Ведущая организация: Институт проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН.

Защита диссертации состоится на заседании диссертационного совета Д 212.190.03 при Петрозаводском государственном университете по адресу: г.Петрозаводск, пр. Ленина, 33.

2004 г. в /£

часов

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета.

Автореферат разослан

■ 3 "

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Поляков В.В.

ОТ

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Любой природно-технический комплекс (ПТК) можно рассматривать как часть административно-хозяйственного или природно-ресурсного образования, имеющего конкретную территориальную привязку. Традиционно для решения задач, связанных с обработкой рельефа местности, представления результатов расчетов, зависящих от координат, создавались специальные средства сканирования и графические библиотеки. Появление доступных геоинформационных систем (ГИС) сделало возможным переход на более современный уровень научно-технического обеспечения подобных задач.

Актуальность данной работы связана с растущими требованиями по экологическому и экономическому обоснованию производственных и управленческих решений, влияющих на различные аспекты функционирования ПТК. Важной особенностью систем поддержки принятия решений является высокая наукоемкость научно-технического обеспечения таких решений и большой объем необходимой исходной информации.

Одним из существенных факторов эффективного моделирования является использование графической информации, как полноправного участника всех этапов моделирования от конструирования модели до представления результатов.

Интеграция ГИС в большую моделирующую систему позволяет использовать картографическую информацию при принятии решений, то есть повысить информационную обеспеченность решений, облегчить и ускорить процесс их принятия. В обеспечение такой возможности в настоящей работе предлагается ГИС-поддержка технологии концептуального моделирования ПТК.

В ходе исследований выявлены следующие недостатки существующих ГИС-проектов в контексте поставленной задачи:

• специализация для решения конкретных задач;

• невозможность сопряжения ГИС с открытой моделью предметной области;

• отсутствие развитых интерфейсов для автоматического ввода/вывода графических атрибутов компонентов исследуемого объекта с целью выполнения пространственно-зависимых расчетов и представления результатов моделирования на карте;

• существенная зависимость алгоритмов обработки графической информации от языка выбранной ГИС.

Изложенное обосновывает формули[раку_ц£ли выполненных автором разработок.

РОС НАЦИОНАЛЬНА); БИБЛИОТЕКА СП 09

Целью работы является создание модели, языка, способов и алгоритмов интеграции геоинформационний системы в среду концептуального моделирования природно-технических комплексов для поддержки всех этапов моделирования, обеспечения визуализации исходных данных и результатов расчетов, а также реализации запросов в ходе совместной расчетно-логической обработки графических характеристик компонентов объекта с учетом пространственных зависимостей.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Разработка языка внутреннего и пользовательского интерфейса для обеспечения совместной обработки географической информации с другими данными в системе концептуального моделирования.

2. Разработка метода поддержки взаимного соответствия концептуальной модели и графического представления объекта в ходе создания и сопровождения концептуальной модели.

3. Разработка модели и средств настройки интерфейсов на конкретные макроязыки ГИС с целью ограничения зависимости от программно-аппаратного обеспечения.

4. Создание алгоритмов и инструментальных средств, реализующих предлагаемую технологию встраивания ГИС в систему концептуального моделирования.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач используются, методы концептуального моделирования, теория множеств, теория графов и элементы математической логики.

Научная новизна полученных в диссертации результатов:

1. Разработан язык и внутренний интерфейс ГИС, позволяющий автоматически измерять графические атрибуты компонентов объекта для использования в расчетах и при логической обработке данных в ходе концептуального моделирования.

2. Предложены метод и алгоритмы поддержки взаимного соответствия концептуальной модели и графического представления объекта в ходе создания и сопровождения концептуальной модели на базе разработанной формализации ГИС-представления ПТК с учетом возможных альтернатив реализации этого представления.

3. Разработан метод оперативной корректировки графических атрибутов элементов концептуальной модели по результатам расчетов с помощью предложенного набора ГИС-операций, позволяющий сохранить целостность топологии картографического изображения.

Актуальность и научная новизна работы подтверждена включением геоинформационной системы концептуального моделирования в составе ситуационной модели регионального промышленного комплекса в раздел

"Математическое моделирование, вычислительная и прикладная математика для задач информатики" перечня важнейших результатов Российской академии наук за 1999 год.

Практическая значимость.

1. Разработаны средства адаптации интерфейсов ГИС на конкретные макроязыки ГИС, обеспечивающие независимость алгоритмов взаимодействия ГИС с концептуальной моделью от среды реализации ГИС.

2. Созданы алгоритмы и инструментальные средства, реализующие предлагаемую технологию встраивания ГИС в систему концептуального моделирования.

Реализация и внедрение результатов. Результаты проведенных исследований нашли практическое применение в научно-исследовательских и хоздоговорных работах для ОАО "Колэнерго", Центральных электросетей г. Апатиты и Института физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональной конференции "Информационные технологии в региональном развитии" (Апатиты. 1999), II Международной дистанционной научно-практической конференции "Моделирование. Теория, методы и средства" (Новочеркасск, 2002), 5-й Всероссийской школе-семинаре «Прикладные проблемы управления макросистемами» (Апатиты, 2004), научной сессии отделения информационных технологий и вычислительных систем РАН (Москва, 2004), на семинаре кафедры математического моделирования систем управления Петрозаводского государственного университета, а также на секциях ученых советов Института физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, Горного института КНЦ РАН и Института информатики и математического моделирования технологических процессов КНЦ РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, полученные результаты изложены в 2 отчетах по НИР Института информатики и математического моделирования технологических процессов КНЦ РАН (per. №№. 02990006163,02200204925).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Работа имеет общий объем 125 страниц, включая таблицы, рисунки и список литературы на 56 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель работы. Приводится краткое изложение содержания и основных результатов диссертационной работы, а также основные научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору существующих разработок по рассматриваемой тематике. Проводится анализ наиболее распространенных коммерческих геоинформационных продуктов последнего поколения и их классификация как возможных прототипов разрабатываемой инструментальной системы. Затем анализируются созданные на их основе независимые прикладные ГИС-решения.

На нынешнем этапе развития геоинформационных технологий очевидна тенденция к использованию ГИС в качестве интегрирующего средства для ~ задач мониторинга и поддержки территориально-промышленных комплексов данных. Более сложные задачи требуют разработки новых адекватных информационно-аналитических систем (НАС). Все более востребованными становятся НАС, разработанные для систем поддержки принятия управленческих решений. Однако и эти классы программных систем не обеспечивают сопровождение открытой для оперативной модификации модели объекта исследования с целью расширения круга решаемых задач.

Поскольку для ПТК возможности использования аналитических моделей весьма ограничиваются существенной неполнотой знаний о сложных природно-технических объектах, необходимо обеспечить широкое применение экспертных знаний в ходе моделирования. Один из перспективных способов - использование концептуальной модели предметной области (КМПО). В КМПО декларируются объекты исследуемой предметной области и их структура, определяются причинно-следственные связи, существующие между объектами.

Однако известные средства сопровождения КМПО не поддерживают работу с пространственными функциями, проведение многовариантных расчетов, имитационные режимы исследования объекта моделирования и ГИС-технологии. Для решения перечисленных проблем далее представлены методы и алгоритмы интеграции ГИС в систему концептуального моделирования.

Во второй главе уточняются основные характеристики объекта исследования, и представляется описание модели ГИС как модуля интегрированной геоинформационной системы концептуального моделирования на уровне множеств имен (идентификаторов) данных. Ядром ГИСКМ является древовидная концептуальная модель ПТК, отражающая организационные связи компонентов изучаемого объекта.

Концептуальная модели предметной области представлена в виде композиции множеств:

вкмпо = < О, Р, I, Н, ОР„ ОР2 >, (1)

где О - множество объектов КМПО; альтернативный способ

определения объекта КМПО состоит в задании опции <агеа>, которая представляет собой имя некоторого служебного ГИС-покрытия, определяющего территорию данного объекта; при наличии этой опции в состав объекта автоматически включаются все элементы КМПО. находящиеся на его территории, соответственно, не допускается пересечение территорий различных объектов, имеющих опцию <агеа>;

Р = Р1 и Р3 - множество процессов, обеспечивающих интерфейс ГИС с КМПО (Р, - подмножество процессов выдачи графических характеристик, Рз - подмножество процессов получения модифицированных объектов);

I = Я и Р - подмножество графических ресурсов КМПО ^ -подмножество доступных графических ресурсов объектов, F подмножество доступных модификаций объектов);

НсОх В(О) - отношение иерархии объектов, декомпозиция объектов в КМПО отображает организационные (при использовании опции <агеа> - административные либо географические) связи между компонентами объекта исследования;

ОР1 сОх В(Р|) - отношения "объект - процессы, порождающие его графические характеристики";

- отношения "объект - процессы, порождающие его

модификации".

Модель атрибутов в КМПО образуется кортежем:

Акмпо = <Н„ п,„ Мр, пр, N,5 п, Т, 1, Е1, Е2, ^л, в, и, М, (2)

где: п„ - множество имен объектов и функция, преобразующая О в N.. (п„: О —► N0);

пр - множество имен процессов и функция, преобразующая Р в ^ (пр: Р Ир);

п, - множество имен ресурсов и функция, преобразующая I в N. (п,:

Т, I - множество типов объектов и функция, преобразующая О в Т (I: 0-»Т),

Е|, - множество типов процессов подмножества Р| и функция, преобразующая Р, в Е, : Р, Е1);

Е:, - множество типов процессов подмножества Р2 и функция, преобразующая Р: в Е: : Р; —> Е:);

С, и - множество типов графических ресурсов и функция, преобразующая Я в й : Я —► в);

М, - множество типов доступных модификаций объектов и функция, преобразующая

Th, th„ - множество типов отношений иерархии объектов и функция, преобразующая О в Th, (th„: О Th, Th = {&, v, * } u N, где N -

множество натуральных чисел).

Множество всех объектов КМ по положению в дереве объектов можно разделить на три категории:

• LEAF - примитивы КМ;

• GISC - объекты, связанные лишь с одним графическим элементом ГИС;

• СОМР - сложные объекты, в состав которых могут входить элементы первых двух категорий.

На этапе построения КМ устанавливается соответствие между ее объектами и объектами ГИС. Другими словами, все элементарные объекты и объекты категории GISC получают ГИС-привязку, в процессе которой объектам первых двух категорий КМ напрямую сопоставляются графические элементы карты. Тип связи для объектов категории GISC при этом очевиден из определения. Что касается категории LEAF, то ее объектам, неделимым с точки зрения КМ, в ГИС может соответствовать любое количество графических элементов. Поэтому представим множество объектов категории LEAF в виде объединения:

0,,Л1 =0'||л1 UO-'hai. (3)

где 0'| | д| - подмножество объектов, которым соответствует один ЕИС-элемент, - подмножество объектов, которым соответствует

несколько ГИС-элементов.

Из сказанного следует, что будет верным представить множество элементарных ГИС-объектов как объединение двух подмножеств, состоягцих из объектов категорий GISC и LEAF соответственно:

Другой этап взаимодействия КМ и ГИС осуществляется в процессе построения ситуационной модели для проведения вычислительного эксперимента, в котором ГИС при помощи своих графических средств визуализирует некоторый фрагмент КМ, назначенный руководителем эксперимента. Отображение ситуации на экране монитора при этом требует поддержания взаимной согласованности иерархии объектов КМ и покрытий ГИС для корректной навигации по дереву объектов. В этом случае, в наборе данных, поступающих в ГИС, обязательно присутствуют объекты категории СОМР, которые несут информацию о своих подобъектах в КМ. Любой объект категории СОМР рассматривается в ГИС как составной и позиционируется на карте как совокупность составляющих его ГИС-элементов.

В рамках указанного взаимодействия КМ и ГИС, объекты категории LEAF также расцениваются как составные, поскольку каждому из них может соответствовать группа графических элементов. Следовательно, можно описать множество составных объектов ГИС в виде объединения подмножеств объектов категорий LEAF и СОМР:

Олек, = о2,1Л1 и 0(„М1'. (5)

Отсюда, для всего множества ГИС-объектов, реализованных в КМ, имеем:

0 = 0,, uOMj(, (6)

Любая ГИС используется как система обработки пространственно-временной информации. Пространственный аспект связан с определением местоположения, временной - с изменениями объекта или процесса с течением времени, в частности, от одного временного среза до другого. В большинстве технологий ГИС для определения места используют один класс данных - координаты, для определения параметров времени -другой класс данных - атрибуты. ГИС характеризуются разнообразием графических данных. В частности, карта может быть рассмотрена как двумерная модель, отображающая трехмерную поверхность. Для отображения положения точек поверхности на плоскости в основном используют два типа координат - плоские и сферические. Если влияние кривизны Земли на исследуемый участок поверхности невелико, то применимы плоские координаты. В плоских декартовых координатах двумерная модель некоторой реальной географической поверхности определяется заданием двух осей X и Y и функции масштабирования S. Упорядоченная пара (х,у) определит положение точки в заданной системе. Следовательно, каждому ГИС-элементу сопоставимо декартово произведение К", представляющее множество точек плоскости, т. е. пар вида (х,у), где х, у е К.

Описание структуры элементов множества (6) осуществляется при помощи двух параметров. В первую очередь, это отношение "объект -координаты объекта" ОК, которое в нашем случае имеет вид:

ОКс О х S х К\ (7)

Второй параметр - это функция t, определяющая тип ГИС-элемента. Геометрически информация, содержащаяся на карте, может быть определена как совокупность точек, линий, контуров и площадей, имеющих метрические значения, отражающие реальность. Эта информация образует класс координатных данных ГИС, являющийся обязательной характеристикой геообъектов. Класс координатных данных (моделей) можно разбить на типы. В разных ГИС число основных типов координатных моделей может незначительно меняться. В исследовательской разработке приняты три типа координатных данных -точка, линия, полигон:

Т = {pnt, lin, pol},

где Т - множество типов координатных моделей, а служебные имена типов "pnt", "lin" и "pol" использованы для ГИС-представления точек, линий и полигонов соответственно.

Функция t также зависит от S. К примеру, точечный или линейный объекты при увеличении масштаба карты могут быть преобразованы в полигон. Исходя из вышесказанного, функция определения типа ГИС-элементов задается соотношением:

t: О х S -> Т. (8)

Для отношения (8) аналогично функциям типа Т можно ввести частичную (но в общем случае неоднозначную, однозначна лишь обратная ей функция) функцию (9), возвращающую множество точек, которые представляют заданный объект в ГИС на карте заданного масштаба:

ок: О х S К". (9)

Множество типов графических ресурсов G формируется на этапе определения ресурсов КМ. Оно включает в себя графические характеристики объектов модели, которые та получает от ГИС. В то же время, графические характеристики, описывающие некоторый объект, могут быть сведены к нескольким обобщающим геометрическим категориям:

• координаты;

• длина (периметр);

• площадь.

Доступные для измерения типы графических данных G зависят от типа и количества используемых объектов, что на практике означает зависимость от особенностей языка той или иной ГИС. Следовательно, чтобы определить разрешенное множество типов графических ресурсов, необходимо прежде сформировать две вспомогательных функции разрешенных типов графических данных для одиночных объектов ГИС и пар таких объектов:

g.:T->G,; (10)

g2:TxT-»G,; (П)

G = G, u G:

Множество доступных графических ресурсов одиночных объектов можно описать как объединение трех подмножеств, каждое и$ которых включает в себя характеристики одной геометрической категории:

G, = Си Lu А, (12)

где С - множество координат, L - множество длин, А - множество площадей.

Также в формировании графических характеристик принимают участие составные объекты, о которых упоминалось выше. В том случае, когда целью обращения КМ к ГИС-приложению является получение графических ресурсов, составной объект для ГИС представляет собой единое целое и рассматривается как полигон, поэтому описание его графических характеристик аналогично описанию свойств полигона.

Схема преобразования данных.

Все сказанное относится к одиночному объекту. В исследовательской разработке ГИС-приложения вычислялись графические ресурсы одиночных геообъектов и пар геообъектов, как наиболее часто применяемые в расчетах. При рассмотрении взаимодействия двух элементарных объектов, следует добавить еще одно геометрическое понятие - расстояние. Совокупность тех графических ресурсов, которые характеризуют отношение двух объектов при помощи расстояния, представим в виде множества Б. Тогда множество доступных графических ресурсов пар одиночных объектов запишем:

С2 = СиЬиАиО. (13)

Функции (10). (II) дают исходную информацию для формирования наборов одно- и двухместных стандартных функций ГИС соответственно. Использование последних при конструировании КМПО аналогично использованию стандартных функций, описывающих процессы. Исходя из сказанного, процессы подмножества можно

описать, с учетом (9), в виде отношений (Ж[ и СЖ; "ГИС-объект (пара объектов) - графический ресурс":

(Ж, с ок (О, Б) х ок (О, Б) х и,, (15)

Для отношений (14), (15) также можно ввести (в общем случае неоднозначные) частичные функции, которые возвращают значения какой-либо из графических характеристик:

оь: ок (О, Б) х ок (О, Б) М,г (17)

Соотношения (16), (17) являются макроописанием библиотеки стандартных функций ГИС, именно эти функции используются на экранах подсказки при конструировании связей КМПО с ГИС [1]. С их помощью текущее значение любого ГИС-ресурса может быть представлено в ^

где о,, oJ е О, в, е в, г„, гп2 е Я.

Соотношения (10), (11), (14) - (19) обеспечивают настройку интерфейса КМПО на конкретные макроязыки ГИС с целью ограничения зависимости от программно-аппаратного обеспечения, решая тем самым третью из перечисленных выше задач настоящей работы.

С помощью использованных при конструировании КМПО отношений иерархии графическое представление любого объекта категории СОМР синтезируется как подмножество множества ГИС-элементов (5). Нетрудно показать, что множество подчиненности любого объекта, не относящегося к ГИС-элементам, можно представить как объединение "основного подмножества" подчиненных ему ГИС-элементов, которые присутствуют в любой альтернативной структуре этого объекта (символом \ обозначена операция вычисления разности множеств) и множества дополнительных ГИС-элементов, появляющихся при той или иной реализации объекта:

(Уо, е О \ О,,) (11(0,) = Оц (о,) и А11(о,)), (20)

Множество альтернативных ГИС-элементов, появляющихся при той или иной реализации объекта, задается соотношением:

Alt(o,) ::=|JOv(o,),

(21)

причем Ov (о,) с О, = 0N (о,) п Оу(о,) = 0,у = 1, п, а общее количество альтернатив п равно произведению количеств ветвей в наборах объектов, связанных с суперобъектами отношением ИЛИ и входящих во множество (20).

Во множество Ом входят те ГИС-элементы, которые не имеют суперобъектов, атрибутированных типом декомпозиции ИЛИ. ГИС-представление любого варианта реализации ПТК образуется множеством и одним из множеств

А115(о,) = Ом(о,)иОу(о,). (22)

Можно утверждать, что для природных объектов, входящих в состав ПТК, альтернативы реализации отсутствуют, то есть

Ак(о,) = 0. (23)

Соотношение (23) можно рассматривать как ограничение на допустимые структуры ГИС-представлений природных объектов в отличие от технических объектов, для которых допустимы (и являются в ГИСКМ вариантами для сопоставительного моделирования) альтернативные структуры ГИС-реализации. Контроль корректности соотношений (20) - (23) на всех этапах функционирования ГИСКМ позволяет поддерживать взаимно однозначное соответствие концептуальной модели и графического представления объекта, что входит в задачи диссертационной работы.

Следует отметить, что на начальном этапе концептуального моделирования, обеспечивающего поддержку принятия решений при наличии альтернатив, картографическая база данных ГИС (КБД) содержит некоторый набор покрытий. Это базовые покрытия, содержащие систематизированную географическую информацию о регионе (типы ландшафта, рельеф местности и др.). Такие покрытия в дальнейшем будем именовать "ландшафтные слои".

На этапе конструирования КМПО создаются специальные картографические покрытия с нанесенными на них новыми техническими объектами. Эти покрытия будут называться "технические слои", их может быть несколько. Пользователь при конструировании КМПО должен указать, какие из технических слоев являются альтернативными.

Осуществляя пространственную привязку данных, ГИС выполняет поочередное наложение технических слоев на ландшафтные слои и друг на друга, проверяя взаимное расположение границ технических и природных объектов. Наложение границ двух или более технических объектов, не объявленных альтернативными, не допускается. При сопоставлении границ технических объектов с природными на утверждение пользователю выдаются операции удаления природных объектов, территориально поглощаемых техническим объектом, и допустимые варианты модификации частично затронутых природных объектов, зависящие от типа последних. В результате формир>ются варианты ГИС-представлений (22) для всех декларированных в КМПО альтернатив реализации ПТК, которые определяют допустимые наборы графических атрибутов, выдаваемых в расчетные модули при переходе к

имитационному режиму исследования КМПО, и допустимые операции над элементами множства (6), используемые для представления результатов моделирования на карте. Тем самым решается поставленная в работе задача автоматизации взаимодействия ГИС с КМПО. Методические отличия разработки от прототипов состоят в следующем:

• пространственное расположение составных частей объекта отображается средствами ГИС и используется как естественная основа при построении иерархии объектов КМПО, при этом графические атрибуты объекта входят в ресурсы элементов КМПО и участвуют в определении концептуального уровня анализа текущей ситуации;

• ГИС в составе системы концептуального моделирования используется не только как традиционное средство для отображения результатов моделирования, но и предоставляет текущие графические данные для расчетных модулей, выполняет модификации графических характеристик по результатам расчетов на КМПО с целью их представления на карте.

В третьей главе рассматриваются алгоритмические аспекты организации работы ГИС в составе системы концептуального моделирования. Традиционно ГИС применяется в основном для разработки покрытий и обработки графических характеристик элементов этих покрытий с помощью небольшого набора дорогостоящих (по крайней мере, для российского рынка) средств пространственного анализа данных. Поэтому разработаны специфические процедуры, поддерживающие связь между КМ и ГИС, реализованные на внутреннем языке программирования последней, а на их основе ' создано инструментальное средство интеграции ГИС в систему моделирования.

Взаимодействие КМ и ГИС осуществляется на нескольких уровнях процесса моделирования. Поэтому условно можно разбить общую задачу, стоящую перед ГИС-приложением, на четыре самостоятельные части:

• интерпретация данных и идентификация объектов категории вКС для обеспечения географической привязки объектов КМПО в ходе ее конструирования и редактирования;

• поддержание взаимной согласованности иерархии объектов КМПО и системы покрытий ГИС при отображении ситуации на экране монитора с возможностью навигации как по дереву объектов, так и по карте;

• автоматическое измерение графических характеристик объектов или групп объектов по запросу КМПО;

• автоматизация представления результатов моделирования путем модификации графических характеристик объектов модели по результатам расчета.

Рассмотрим особенности первого уровня взаимодействия, когда в ходе категоризирования объектов КМПО формируется их ГИС-представление.

Одно из условий адекватности модели объекта исследования состоит в наличии ГИС-привязки всех его составных частей - объектов КМПО, то есть в возможности однозначного сопоставления любого составного объекта модели с некоторым подмножеством ГИС-элементов (см. (20)).

Процесс привязки может быть осуществлен по двум схемам. Следуя первой схеме, пользователь выбирает фрагмент КМПО, назначая интересующие его объекты для участия в процессе моделирования. Список кодов выбранных объектов, содержащий объекты всех трех категорий KM (LEAF, GISC, СОМР) направляется ГИС, которая на своем уровне интерпретирует и систематизирует полученные данные. Всю основную для себя информацию ГИС-приложение считывает из множества записей, относящихся к объектам GISC, которые, как уже было упомянуто, являются ГИС-элементами и имеют конкретную географическую привязку. Эти объекты распознаются средой ГИС при помощи их служебных идентификаторов. Каждый идентификатор уникален и состоит из имени покрытия и внутреннего номера, который приписан каждому объекту на этом покрытии. На первом этапе процедуры распознавания определяется количество и поименный список всех покрытий ГИС-приложения, участвующих в решении конкретной задачи. Каждому выбранному покрытию назначается статус видимого и активного. Это означает, что только эти покрытия (помимо ландшафтного) будут отображены на карте. Выборки ГИС-элементов выполняются по принадлежности их каждому из активных покрытий.

Кроме выборки объектов, систематизированных тематически (по отдельным покрытиям), составляются "именные" выборки элементарных объектов ГИС, относящихся к тому или иному составному объекту или примитиву. Как правило, это несколько элементов ГИС, представленных на разных покрытиях, но расположенных близко один от другого в географическом отношении.

Сформированные таким образом тематические и "именные" выборки являются исходным комплексом данных при решении пространственных задач. Выборки объектов организованы в словари и списки, содержащие идентификаторы, собственные имена и графические шейпы объектов. В исследовательской версии ГИСКМ доступ к спискам и словарям реализован при помощи запросов Avenue.

По другой схеме построения геоинформационных связей при задании одному из объектов модели типа, определенного для ГИС-элементов, пользователю предлагается выбрать этот объект на карте. Процесс привязки имеет дополнительную ветвь при задании для некоторого объекта модели опции "area", означающей, что в состав объекта необходимо включить все объекты КМПО, полностью или в большей степени входящие в него территориально. В таком случае пользователь

создает и сообщает системе имя специального ГИС-покрытия, содержащего изображение границы объекта. Затем ГИС осуществляет выборку всех ГИС-элементов, полностью или в большей части находящихся в пределах указанной границы, и направляет идентификаторы КМ ПО, которая интерпретирует и систематизирует данные своими внутренними средствами. В результате вновь имеется фрагмент КМ, описывающий проблемную область, дальнейший процесс привязки сводится к выполнению шагов первой схемы.

Созданные средствами ГИС списки и словари можно рассматривать как пространственную характеристику фрагмента КМПО, отражающую территориальную принадлежность каждого подобъекта доминирующему его объекту высшего уровня. Опираясь на подготовленные данные, ГИС формирует систему временных меню, которые, в свою очередь, становятся основой интерфейса ГИС-приложения с конечным пользователем, что позволяет говорить о решении второй части общей задачи ГИС - поддержании взаимной согласованности иерархии объектов КМПО и ГИС.

Следующая стадия взаимодействия КМ и ГИС - обмен данными между ними осуществляется в ходе имитационного моделирования.

Для использования всех возможностей ГИС требуется получить полный перечень выходных графических характеристик данной пары объектов КМ. Эти характеристики можно разделить на три группы:

• принадлежащие одному элементарному объекту;

• получаемые при взаимодействии двух элементарных объектов;

• получаемые при взаимодействии двух составных объектов.

Как уже отмечалось, элементарные объекты ГИС представлены тремя типами: точка, линия, полигон. Точечный объект может быть описан единственным графическим ресурсом - географической координатой. Линейный объект, помимо координат начала, конца и геометрического центра линии, характеризуется величиной линейной протяженности. Ресурсы полигонального объекта включают координаты геометрического центра, площадь полигона, длину его границы. Линия и полигон обладают еще одной графической характеристикой - экстент (наименьший прямоугольник, в который можно вписать данный объект).

Ко второй группе относятся пары элементарных объектов: точка-точка, точка-линия, точка-полигон, линия-линия, линия-полигон, полигон-полигон. Для пары, содержащей точку, основными характеристиками являются расстояние между объектами и экстент их объединения. Для остальных пар элементарных объектов наиболее значимыми и информативными являются выходные характеристики, относящиеся к областям пересечения и объединения данных объектов.

Общий формат запроса выходных графических характеристик имеет вид:

<запрос> = <код_ресурса> <код_ГИС-элемента> [<код_ГИС-

где: код. определяющий имя графического ресурса;

<код_ГИС-элемента> - коды одного или двух ГИС-объектов, к которым применяется операция.

Списки допустимых графических ресурсов ГИС-объектов сведены в таблицы по группам и приводятся в диссертационной работе, они формируются при настройке на конкретную ГИС путем определения функций (18), (19). На основе этих таблиц происходит формирование экрана, предоставляющего помощь пользователю при выборе графических характеристик, доступных в зависимости от типа и количества указанных объектов. Выбор на карте ГИС-объекта (пары объектов) и в списке наименования ресурса, тем самым дает команду КМ начать формирование запроса к ГИС.

Для выполнения этой задачи ГИС-приложение имеет в своем распоряжении набор подпрограмм, каждая из которых запрашивает и возвращает одно из набора основных графических данных.

Комбинируя подпрограммы, вызывая их в определенном порядке одну за другой, можно получить все графические характеристики, приведенные в таблицах допустимых ресурсов. Причем выходные данные одной подпрограммы становятся входными данными следующей.

Например, выполнение подпрограмм. запрашивающих последовательно область пересечения объектов, геометрический центр и координаты точки, возвращает графический ресурс "Координаты геометрического центра пересечения". Первая подпрограмма берет в качестве данных два исходных объекта и, в зависимости от их типа, возвращает линейную или полигональную область пересечения. Вторая подпрограмма, получая на входе объект пересечения, определяет его графический центр. Наконец, третья подпрограмма запрашивает координаты точечного объекта и возвращает числовое значение. Все графические характеристики по определению относятся к множеству переменных (числовых величин).

На этапе представления результатов моделирования КМПО еще раз обращается к ГИС-приложению, при этом выполняется четвертая часть общей задачи ГИС. которая состоит в модификации графических характеристик объектов модели по результатам расчетов.

Определение исходных данных задачи происходит еще на этапе конструирования связей элементов модели, если пользователем задается применение специальных ГИС-операций. Эти операции предоставляют значительные возможности для отображения результатов моделирования,

так как позволяют генерировать новые объекты на основе существующих ГИС-злсмснтов.

Существуют три типа возможных операций:

• разбиение на части некоторого объекта пересекающим его другим объектом;

• смещение объекта на заданное расстояние;

• построение вокруг объекта буферной зоны указанной ширины.

Общий формат команды применения операции имеет вид:

<операция> = <код_операции> <код_ГИС-элемента> [<код_ГИС-

элемента>] <параметры_операции> [<легенда>] [<комментарий>], (25) где: <код_операции> - код, определяющий имя ГИС-операции;

<код_ГИС-элемента> - коды одного или двух ГИС-объектов, к которым применяется операция;

<параметры_операции> - список кодов ресурсов - параметров операции;

<легенда> - строка, используемая для надписи на ГИС-изображении результата операции;

<комментарий>- пользовательский текст, используемый в качестве комментария для результата операции.

Применение команд (25) задается пользователем на этапе конструирования связей элементов модели путем выбора ГИС в качестве потребителя того или иного ресурса. В таком случае пользователю предлагается выбрать на карте ГИС-элемент(ы) - участник(и) операции, по их ГИС-типам формируется список допустимых операций, после выбора желаемой операции задаются остальные ее параметры.

ГИС-элементы, полученные в результате выполнения операций, представляют собой совершенно независимые графические объекты. Модифицированный объект (0м) может быть либо отображен на электронной карте наряду с объектом-прототипом (О1'), либо полностью заменить собой исходный ГИС-элемент. Принцип использования каждого объекта указывается пользователем при помощи категории,

назначаемой параметрам операции его создания на этапе формировании КМПО. Если задана категория АО, то в картографическую базу данных ГИС добавляется специальное покрытие Аёс (1Ч,,,, п), отображающее результат операции, где имя модифицированного объекта, а п- номер соответствующего сценария. Все покрытия АО, созданные в процессе имитации, сохраняются в картографической базе модифицированных данных для использования при сопоставлении результатов моделирования различных сценариев.

Если задана категория ЕЧ8, то объект О1' полностью удаляется со всех содержащих его слоев КБД, а объект 0м занимает его место. Подобные действия предусматривают внесение исправлений в атрибутивные

таблицы покрытий, а именно, данные в строках, относящихся к элементу

заменяются на атрибуты, характеризующие . С целью сохранения топологической целостности картографических покрытий, вследствие произведенного редактирования, должны подвергнуться изменению также объекты, соседние с и имеющие с ним общую границу. Графические атрибуты объектов-соседей пересчитываются с учетом границы объекта

, которая с этого момента становится общей между ними. Результаты записываются в соответствующие строки атрибутивных таблиц.

После выполнения задачи по модификации графических характеристик объектов на своем уровне ГИС-приложение адресует КМПО информацию, содержащую систематизированные группы графических данных, подлежащих редактированию.

При назначении операций в соответствии с принципами построения организационных иерархий предполагается, что некоторый объект КМПО имеет право применять ГИС-операции только к объектам из его множества подчиненности.

Еще одно направление взаимодействия ГИС с КМПО связано с реализацией запросов экспертной системы (ЭС), содержащих элементы пространственного поиска. При этом требуется найти объект(ы), удовлетворяющий(е) следующим условиям:

• ближайший данному;

• полностью попадающий внутрь заданной зоны;

• пересекающий границы заданной зоны;

• отстоящий на заданное расстояние;

• имеющий заданную величину или диапазон некоторого графического ресурса.

Поиск обеспечивается путем анализа пространственного расположения составных частей объекта на основе логических запросов.

В четвертой главе рассматривается практическое применение геоинформационной системы поддержки концептуального моделирования ПТК.

Энергетическую систему региона можно определить как сложный природно-технический объект. Энергетические объекты оказывают влияние на экологию прилегающих территорий и, с другой стороны, сами находятся под влиянием природных воздействий.

В ходе изучения особенностей работы службы диспетчерского управления (СДУ) энергосистемы "Колэнерго" выявлены следующие основные задачи, актуальные для персонала СДУ и связанные с использованием картографической информации:

1. Задача выбора некоторого объекта и корректировки или выдачи на экран окрестности этого объекта и/или его параметров. К этой группе

относятся задачи нанесения плана трассы линий электропередач, нанесение на трассу ЛЭП справочных данных о характеристиках ее элементов (проводов, опор и т.д), и т.п., а также задачи сопряжения ГИС с традиционными для энергетических служб электрическими схемами пространственных объектов энергетики (энергосистемы в целом, ее участков, отдельных электростанций и т.п.).

2. Задача поиска некоторого участка линейного объекта и вывода окрестности этого участка на экран. Сюда относятся задачи учета работающих на ЛЭП бригад и выработки рекомендаций по схеме осмотра ЛЭП при аварийном отключении.

3. Задача поиска точек пересечения двух или более линейных объектов и вывода окрестностей этих точек на экран. К этой группе относятся определение мест пересечения ЛЭП с линиями связи, реками, дорогами, озерами и другими ЛЭП, определение участков ЛЭП, с которых возможна радиосвязь с диспетчером и анализ расположения трассы ЛЭП относительно автомобильных и железных дорог.

4. Задача поиска общих участков двух или более линейных объектов и вывода этих участков на экран. Сюда входит определение участков сближения, параллельных и двухцепных участков ЛЭП.

5. Задача поиска общих точек или участков линейного объекта с объектами других типов (полигонами или точками). Эта задача решается при определении принадлежности ЛЭП к тем или иным административным единицам, а также при определении мест захода ЛЭП на территорию других энергетических объектов (например, электростанций того или иного типа).

Решение этих задач представлено в двух вариантах ГИС-приложения для системы моделирования региональной энергетики Мурманской области, разработанных в среде PC ARC/INFO 3.5 средствами языка SML и в среде ArcVïew 3.0 GIS средствами языка Avenue. Проведенный сравнительный анализ проектов показал, что Avenue создает больше трудностей в работе программиста, однако при этом расширяет возможности проектировщика и позволяет быстро и удобно визуализировать данные на карте.

В заключении изложены основные научные и практические результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В ходе решения задачи геоинформационной поддержки ситуационного моделирования природно-технических комплектов на основе концептуальной модели автором получены следующие результаты, которые составляют основные положения, выносимые на защиту.

1. Мета-язык и внутренний интерфейс ГИС, позволяющий автоматически измерять графические атрибуты компонентов объекта для использования в расчетах и при логической обработке данных в ходе концептуального моделирования.

2. Метод и алгоритмы поддержки взаимного соответствия концептуальной модели и графического представления объекта в ходе создания и сопровождения концептуальной модели на базе разработанной формализации ГИС-представления природно-технических комплексов с учетом возможных альтернатив его реализации.

3. Средства настройки интерфейсов ГИС на конкретные макроязыки ГИС, обеспечивающие независимость алгоритмов взаимодействия ГИС с концептуальной моделью от среды реализации ГИС.

4. Геоинформационная технология, алгоритмы и инструментальные средства, реализующие предлагаемую технологию встраивания ГИС в систему концептуального моделирования.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Ефимов Б.В., Сагидова М.Л.. Фридман А.Я. ГИС-приложение для системы моделирования региональной энергетики Мурманской области 7/ Системы информационной поддержки регионального развития. -Апатиты, 1998. -С. 37-40.

2. Сагидова М.Л., Фридман А.Я., Олейник А. Г. Алгоритм геокодирования для моделирования протяженных объектов энергетической системы Мурманской области.// Системы информационной поддержки регионального развития. -Апатиты, 1998. -С.33-36.

3. Ефимов Б.В., Сагидова М.Л., Фридман А.Я. Решение задач ремонтно-профилактического обслуживания энергетическич сетей средствами ГИС // Имитационное моделирование в исследованиях проблем регионального развития. - Апатиты: КНЦ РАН, 1999. - С. 53-60.

4. Матвеев П.И., Сагидова М.Л. Программное средство формирования геоинформационной модели для СППР // Имитационное моделирование в исследованиях проблем регионального развития. - Апатиты: КНЦ РАН, 1999.-С. 69-74.

5. Сагидова МЛ., Фридман А.Я. Основы ГИС-интерфейса в ситуационной системе вычислительного эксперимента. // Теоретические и прикладные модели информатизации региона. Апатиты: КНЦ РАН, 2000, с. 108-112.

6. Сагидова МЛ., Фридман А.Я. Метод ГИС-представления картографических задач исследования и обеспечения безопасности // Управление безопасностью природно-промышленных систем. - Апатиты: КНЦ РАН, 2000,- С. 6-20.

7. Сагидова М.Л., Фридман А.Я. Реализация интерфейса ГИС и концептуальной модели в ситуационной системе вычислительного эксперимента // Модели социальных, технологических и образовательных процессов. - Апатиты: КНЦ РАН, 2001.- С. 93-98.

8. Сагидова М.Л. Гибкий ГИС-интерфейс с концептуальной моделью// Информационные технологии в региональном развитии.-Апатиты, 2003 .-Вып.Ш.-С.69-72.

9. Сагидова М.Л. Макроязык для интеграции ГИС в систему моделирования промышленно-природных комплексов // Информационные технологии в региональном развитии. -Апатиты, 2003. -Вып.Ш.-С. 73-78.

Сагидова Марина Леонидовна

автореферат

Метод и система моделирования природно-технических комплексов на базе электронных карт

Редактор М.А Гамова Технический редактор СИ. Коржавина

Лицензия ЛРИД № 02969 от 16 октября 2000 г.

Подписано к печати 05.10.04.

Формат бумаги 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.печ.л. 1.2. Уч.-изд.л. 1. Усл.краско.-от. 1.2. Заказ № 17. Тираж 100 экз. Бесплатно.

Издательство Петрозаводского Государственного университета 185640, Петрозаводск, пр. Ленина, 33

Отпечатано подразделением оперативной полиграфии КФ ПетрГУ 184200, Апатиты, Мурманская область, ул. Космонавтов, 3

№18 9 98

РНБ Русский фонд

2005-4 15809

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЗОР ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ И МОДЕЛИРУЮЩИХ СИСТЕМ.

1.1. Геоинформационные системы.

1.2. Прикладные ГИС-проекты.

1.2.1. Информационно-поисковая ГИС.

1.2.2. Информационно-аналитическая ГИС.

1.3. Системная динамика.

1.4. Концептуальные модели. 27 1.4.1. Концептуальное моделирование информационных систем.

1.5. Выводы по главе 1.

Глава 2. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ПРИРОДНО

ТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ.

2.1. Структура КМПО.

2.1.1. Конструирование схемы КМПО.

2.1.2. Модель атрибутов.

2.2. Преобразование данных КМПО геоинформационной системой.

2.2.1 Графические ресурсы объектов.

2.2.2 Модификации объектов.

2.3. Описание процессов преобразования.

2.3.1. Процессы, возвращающие графические ресурсы.

2.3.2. Процессы, возвращающие модифицированные объекты.

2.4. Представление результатов моделирования.

2.5. Выводы по главе 2.

Глава 3. ИНТЕРФЕЙСЫ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

КОНЦЕПТУАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

3.1. Организация данных и возможности программирования ГИС.

3.1.1. Особенности структур пространственных данных.

3.1.2. Язык программирования SML.

3.1.3. Язык программирования Avenue.

3.1.4. Сопоставление возможностей языков SML и Avenue.

3.2. Организация взаимодействия КМПО и ГИС. 65 3.2.1. Стадия конструирования КМПО. 66 3.2.3. Географическая привязка объектов КМПО при использовании опции "area".

3.3. Формирование множества ресурсов КМПО.

3.3.1. Типы графических характеристик ГИС-объектов.

3.3.2. Разрешенные графические ресурсы.

3.4. Систематизация стандартных функций макроязыков ГИС.

3.4.1. Запросы первого и второго порядков.

3.4.2. Запросы третьего порядка.

3.5. ГИС-операции над объектами. 9X

3.6. Поддержка взаимной согласованности иерархии объектов КМПО при отображении на карте.

3.7. Обмен данными на стадии представления результатов.

3.8. Выводы по главе 3.

Глава 4. ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

МОДЕЛИРОВАНИЯ

4.1. Система моделирования региональной энергетики.

4.2. Классификация задач СДУ.

4.3. Описание интерфейса ГИС-приложения, выполненного в среде ARC/INFO. 1 It

4.4. Выводы по главе 4. 1 Id ЗАКЛЮЧЕНИЕ 120 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Актуальность работы.

Любой природно-технический комплекс (ПТК) можно рассматривать как часть административно-хозяйственного или природно-ресурсного образования, имеющего конкретную территориальную привязку. Традиционно для решения задач, связанных с обработкой рельефа местности, представления результатов расчетов, зависящих от координат, создавались специальные средства сканирования и графические библиотеки. Появление доступных геоинформационных систем (ГИС) сделало возможным переход на более современный уровень научно-технического обеспечения подобных задач.

Современные ГИС представляют собой новый тип интегрированных информационных систем, которые, с одной стороны, включают традиционные методы обработки данных, а с другой обладают спецификой в организации, обработке и отображении пространственно-временных данных. На практике, это определяет использование ГИС в качестве многоцелевых, многоаспектных систем.

Вместе с тем, правильнее говорить не о ГИС в "чистом" виде, а о ГИС-технологиях, интегрирующих работу СУБД, мощного аналитико-моделирующего аппарата обработки данных и собственных возможностей проведения пространственного анализа для получения новой информации. ГИС применяется как интегрирующая платформа, которая создает единое информационное поле всех необходимых данных, используемых в комплексных системах управления.

Разработке решений с использованием ГИС уделяется особое внимание, поскольку такие решения находят применение практически во всех областях человеческой деятельности, будь то анализ таких глобальных проблем, как природные катастрофы, загрязнение территорий, анализ метеорологических данных, или же решение задач по определению точного местоположения, прокладке маршрутов, а также вопросов, связанных с планированием размещения различных объектов.

Актуальность данной работы связана с растущими требованиями по экологическому и экономическому обоснованию производственных и управленческих решений, влияющих на различные аспекты функционирования ПТК. Важной особенностью систем поддержки принятия решений является высокая наукоемкость научно-технического обеспечения таких решений и большой объем необходимой исходной информации.

Одним из существенных аспектов эффективного моделирования пространственных систем является использование картографической информации, как полноправного участника всех этапов моделирования от конструирования модели до представления результатов.

Интеграция ГИС в большую моделирующую систему позволяет использовать картографическую информацию при принятии решений, то есть повысить информационную обеспеченность решений, облегчить и ускорить процесс их принятия. В обеспечение такой возможности в настоящей работе предлагается ГИС-подцержка технологии концептуального моделирования ПТК.

В ходе исследований выявлены следующие недостатки существующих ГИС-проектов в контексте поставленной задачи: специализация для решения конкретных задач; невозможность сопряжения ГИС с открытой моделью предметной области; отсутствие развитых интерфейсов для автоматического ввода/вывода графических атрибутов компонентов исследуемого объекта с целью выполнения пространственно-зависимых расчетов и представления результатов моделирования на карте; существенная зависимость алгоритмов обработки графической информации от языка выбранной ГИС.

Изложенное обосновывает формулировку цели выполненных автором разработок.

Целью работы является создание модели, языка, способов и алгоритмов интеграции геоинформационной системы в среду концептуального моделирования природно-технических комплексов для поддержки всех этапов моделирования, обеспечения визуализации исходных данных и результатов расчетов, а также реализации запросов в ходе совместной расчетно-логической обработки графических характеристик компонентов объекта с учетом пространственных зависимостей.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Разработка языка внутреннего и пользовательского интерфейса для обеспечения совместной обработки географической информации с другими данными в системе концептуального моделирования.

2. Разработка метода поддержки взаимного соответствия концептуальной модели и графического представления объекта в ходе создания и сопровождения концептуальной модели.

3. Разработка модели и средств настройки интерфейсов на конкретные макроязыки ГИС с целью ограничения зависимости от программно-аппаратного обеспечения.

4. Создание алгоритмов и инструментальных средств, реализующих предлагаемую технологию встраивания ГИС в систему концептуального моделирования.

Методы исследования.

Для решения поставленных в работе задач используются, методы концептуального моделирования, теория множеств, теория графов и элементы математической логики.

Научная новизна полученных в диссертации результатов:

1. Разработан язык и внутренний интерфейс ГИС, позволяющий автоматически определять графические атрибуты компонентов объекта для использования в расчетах и при логической обработке данных в ходе концептуального моделирования.

2. Предложены метод и алгоритмы поддержки взаимного соответствия концептуальной модели и графического представления объекта в ходе создания и сопровождения концептуальной модели на базе разработанной формализации ГИС-представления ПТК с учетом возможных альтернатив реализации этого представления.

3. Разработан метод оперативной корректировки графических атрибутов элементов концептуальной модели по результатам расчетов с помощью предложенного набора ГИС-операций, позволяющий сохранить целостность топологии картографического изображения.

Практические результаты.

В основу диссертационной работы положены результаты, полученные автором в ходе исследований по планам научно-исследовательских работ Института информатики и математического моделирования Кольского научного центра РАН в период с 1996 по 2003 годы.

На базе этих результатов:

1. Разработаны средства адаптации интерфейсов ГИС на конкретные макроязыки ГИС, обеспечивающие независимость алгоритмов взаимодействия ГИС с концептуальной моделью от среды реализации ГИС.

2. Созданы алгоритмы и инструментальные средства, реализующие предлагаемую технологию встраивания ГИС в систему концептуального моделирования.

Реализация и внедрение результатов.

Результаты проведенных исследований нашли практическое применение в научно-исследовательских и хоздоговорных работах для ОАО "Колэнерго", Центральных электросетей г. Апатиты и Института физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.

Апробация работы.

Основные результаты работы обсуждались на перечисленных ниже научно-технических мероприятиях:

1. Региональная конференция "Информационные технологии в региональном развитии" (Апатиты, 1999).

2. II Международная дистанционная научно-практическая конференция "Моделирование. Теория, методы и средства" (Новочеркасск, 2002).

3. 5 Всероссийская школа-семинар «Прикладные проблемы управления макросистемами» (Апатиты, 2004).

4. Научная сессия отделения информационных технологий и вычислительных систем РАН (Москва, 2004).

5. Семинар кафедры математического моделирования систем управления Петрозаводского государственного университета,

6. Секция ученого совета Института физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.

7. Секция ученого совета Горного института КНЦ РАН.

8. Секции ученого совета Института информатики и математического моделирования технологических процессов КНЦ РАН.

Основные положения работы, выносимые на защиту:

1. Мета-язык и внутренний интерфейс ГИС, позволяющий автоматически измерять графические атрибуты компонентов объекта для использования в расчетах и при логической обработке данных в ходе концептуального моделирования.

2. Метод и алгоритмы поддержки взаимного соответствия концептуальной модели и графического представления объекта в ходе создания и сопровождения концептуальной модели на базе разработанной формализации ГИС-представления природно-технических комплексов с учетом возможных альтернатив его реализации.

3. Средства настройки интерфейсов ГИС на конкретные макроязыки ГИС, обеспечивающие независимость алгоритмов взаимодействия ГИС с концептуальной моделью от среды реализации ГИС.

4. Геоинформационная технология, алгоритмы и инструментальные средства, реализующие предлагаемую технологию встраивания ГИС в систему концептуального моделирования.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, полученные результаты изложены в 2 отчетах по НИР Института информатики и математического моделирования технологических процессов КНЦ РАН (per. №№. 02990006163, 02200204925).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 110 машинописных страниц текста, а также 15 таблиц, 9 рисунков и список литературы на 56 наименований.

4.5. Выводы по главе 4.

На основе научных результатов работы создано инструментальное средство, поддерживающее методику концептуального моделирования природно-технических комплексов.

Продемонстрирована практическая применимость методики ГИС-поддержки концептуального моделирования на примере региональной Мурманской области.

В результате применения предлагаемой методики может быть повышено качество поддержки функционирования энергетической системы и облегчено проектирование ее новых компонентов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе сформулирована и решена научно-техническая задача геоинформационной поддержки ситуационного моделирования природно-технических комплексов на основе концептуальной модели. Автором получены следующие результаты, которые составляют основные положения, выносимые на защиту.

1. Мета-язык и внутренний интерфейс ГИС, позволяющий автоматически измерять графические атрибуты компонентов объекта для использования в расчетах и при логической обработке данных в ходе концептуального моделирования.

2. Метод и алгоритмы поддержки взаимного соответствия концептуальной модели и графического представления объекта в ходе создания и сопровождения концептуальной модели на базе разработанной формализации ГИС-представления природно-технических комплексов с учетом возможных альтернатив его реализации.

3. Средства настройки интерфейсов ГИС на конкретные макроязыки ГИС, обеспечивающие независимость алгоритмов взаимодействия ГИС с концептуальной моделью от среды реализации ГИС.

4. Геоинформационная технология, алгоритмы и инструментальные средства, реализующие предлагаемую технологию встраивания ГИС в систему концептуального моделирования.

Проведенные исследования выявили перспективность использования предложенного подхода для проведения анализа состояния и прогноза поведения сложных природно-технических комплексов. Разработанные методы и алгоритмы использованы при создании проблемно-ориентированного приложения ГИСКМ, практическое применение которых показало, что указанный подход позволяет решать специфические задачи моделирование энергетической системы региона.

Среди возможных направлений дальнейших работ по исследованной проблеме представляется целесообразным отметить следующие: возможность автоматического изменения графических характеристик ГИС-элементов по результатам расчетов; разработка и встраивание в ГИСКМ модели трехмерной ГИС.

1. Арефьев Н.В., Баденко В.Л., Осипов Г.К. ГИС в управлении природопользованием. // Материалы научно-технической конференции "Фундаментальные исследования в технических университетах", 16-17 июня 1997 г., СПб. С. 142-143.

2. Арефьев Н.В., Баденко В.Л., Осипов Г.К. Эколого-экономические основы управления природно-аграрными системами в среде ГИС // ГИС-обозрение, 1997, №4. С. 19-20.

3. Арефьев Н.В., Баденко В.Л., Осипов Г.К. Основы управления земельными ресурсами в среде ГИС // Материалы международной научно-практической конференции "ГИС и устойчивое развитие региона", 29-30 мая, 1997.- Псков С. 811.

4. Арефьев Н.В., Баденко В.Л, Осипов Г.К. ГИС-технологии в принятии решений по развитию территорий. // "Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения" Мат. Конф. Апрель 1998, г. Красноярск. С. 9-10.

5. Арефьев Н.В., Баденко В.Л., Осипов Г.К. Оценка природно-ресурсного потенциала территории с использованием ГИС-технологий // Региональная экология, № 1,1998.-С. 17-23.

6. Арефьев Н.В., Баденко В.Л, Осипов Г.К. Бассейново-ландшафтный подход к организации экологического мониторинга гидроэнергокомплексов на основе геоинформационных технологий // Гидротехническое строительство, 1998, № 11. -С. 25-27.

7. Арефьев Н.В., Баденко В.Л, Якушев В., Куртенер Д.А., Сиппола Дж. Информационное обеспечение процессов управления сельскохозяйственными территориями // Сельскохозяйственные вести, № 3-4,1998. С. 15

8. Арефьев Н.В., Федоров М.П., Баденко B.JI., Осипов Г.К. Методика экологического мониторинга городских территорий с применением ГИС-технологий // Научно-технические ведомости СПбГТУ, № 1-2 (7-8), 1997, С. 115-117.

9. Баденко B.JI. Методология использования эколого-экономических моделей в среде ГИС при управлении территориями// Научно-технические ведомости СПбГТУ, №4(14), 1998.-С. 107-111.

10. Баденко B.JL, Осипов Г.К. Моделирование природно-аграрных систем // Научно-технические ведомости СПбГТУ, № 4(14), 1998. С. 32-35.

11. Бржезовский А.В., Фильчаков В.В. Концептуальный анализ вычислительных систем. СПб: Изд. ЛИАП, 1991.- 78 с.

12. Бржезовский А.В., Фильчаков В.В. Программная система для разработки концептуальной модели в области обработки информации // Методы и средства вычислительного эксперимента. Апатиты: Изд. КНЦ АН СССР, 1990.- С.24-28

13. Бржезовский А.В., Фильчаков В.В. Технология концептуального проектирования // Тезисы докладов 24 всесоюзной школы по автоматизации научных исследований. Апатиты: изд. Кольского научного центра АН СССР. 1990.-С. 6, 7.

14. Вайнштейн Е.А., Путилов В.А., Пушилин В.В. Концептуальные основы динамического моделирования устойчивого развития городов Севера России // Системы информационной поддержки регионального развития. Апатиты: КНЦ РАН, 1998.- С.6-13.

15. Гохман В.В. Как быстрее освоить Arc View GIS // ArcReview. -1997. № 3. -C.10.-1998.-№1(4).-C.10.

16. Ефимов Б.В., Сагидова М.Л., Фридман А.Я. ГИС-приложение для системы моделирования региональной энергетики Мурманской области // Системы информационной поддержки регионального развития. Апатиты, 1998. - С.37-40.

17. Ефимов Б.В., Сагидова М.Л., Фридман А.Я. Решение задач ремонтно-профилактического обслуживания энергетических сетей средствами ГИС // Имитационное моделирование в исследованиях проблем регионального развития. -Апатиты: КНЦ РАН, 1999. С. 53-60.

18. Коновалова Н.В., Капралов Е.Г. Введение в ГИС. М.: Библион, 1997.

19. Концептуальное моделирование информационных систем. Под ред.

20. B.В.Фильчакова. СПб: СПВУРЭ ПВО, 1998. -356 с.

21. Кошкарев А.В. Программное обеспечение ГИС // ГИС-обозрение, весна 1994.-С. 10-11.

22. Кузнецов О.П., Адельсон-Вельский Г.М. Дискретная математика для инженера. М.: Энергоатомиздат, 1988.- 480 с.

23. Матвеев П.И. ГИС функциональная оболочка системы поддержки принятия решений в сфере регионального управления // Информационные технологии поддержки принятия решений.-Апатиты, 1998. -С.86-91.

24. Матвеев П.И. Анализ структур геоинформационных систем поддержки принятия решений // Системы информационной поддержки регионального развития. -Апатиты, 1998. -С. 27-30.

25. Матвеев П.И., Сагидова M.JI. Программное средство формирования геоинформационной модели для СППР // Имитационное моделирование в исследованиях проблем регионального развития. Апатиты: КНЦ РАН, 1999. -С. 6974.

26. Олейник А.Г., А.Я. Фридман, О.В. Олейник. Программная система информационной поддержки региональной энергетики // Региональные информационные системы. Ч.1.- Апатиты, 1995.- С. 14-24.

27. Олейник А.Г., Олейник О.В., Фридман А.Я. Иерархические концептуальные модели в исследованиях нестационарных пространственных объектов // Интеллектуальные инструментальные средства вычислительного эксперимента. -Апатиты, изд-во КНЦ РАН, 1997. -С.6-16.

28. Сагидова M.J1., Фридман А .Я., Олейник А.Г. Алгоритм геокодирования для моделирования протяженных объектов энергетической системы Мурманской области.// Системы информационной поддержки регионального развития. -Апатиты, 1998. -С.33-36.

29. Сагидова М.Л., Фридман А.Я. Метод ГИС-представления картографических задач исследования и обеспечения безопасности // Управление безопасностью природно-промышленных систем. Апатиты: КНЦ РАН, 2000. - С. 6-20.

30. Сагидова М.Л., Фридман А.Я. Основы ГИС-интерфейса в ситуационной системе вычислительного эксперимента // Теоретические и прикладные модели информатизации региона. Апатиты: КНЦ РАН, 2000. - С. 108-112.

31. Сагидова М.Л., Фридман А.Я. Реализация интерфейса ГИС и концептуальной модели в ситуационной системе вычислительного эксперимента // Модели социальных, технологических и образовательных процессов. Апатиты: КНЦ РАН, 2001. - С. 93-98.

32. Сагидова М.Л. Гибкий ГИС-интерфейс с концептуальной моделью// Информационные технологии в региональном развитии.-Апатиты, 2003.-Вып.Ш.-С.69-72.

33. Сагидова М.Л. Макроязык для интеграции ГИС в систему моделирования промышленно-природных комплексов // Информационные технологии в региональном развитии. -Апатиты, 2003. Вып.Ш.- С. 73-78.

34. Тикунов B.C. Геоинформационные системы что это такое? // ГИС-обозрение, весна 1994. - С. 8-9.

35. Трофимов A.M. Моделирование геосистем (концептуальный аспект). -Казань: Экоцентр, 1997.

36. Трофимов А. М. , Игонин Е. И. Концептуальные основы моделирования в географии. (Развитие основных идей и путей математизации и формализации в географии): Учебное пособие. Казань: Матб. йорты, 2001. - 340с.

37. Трофимова С.Ф. Проблемы концептуального моделирования в ГИС Геоинформатика. Труды международной научно-практической конференции. -Томск: Изд. ТГУ, 2000.-С.7-12.

38. Тыугу Э.Х. Концептуальное программирование. -М.: Наука, 1984.- 255 с.

39. Фридман А.Я. Ситуационный подход к моделированию состояния пространственного объекта // Системы информационной поддержки регионального развития. -Апатиты: КНЦ РАН, 1998.-С.45-49.

40. Хрупов С. В. Организация данных в ГИС // ГИС обозрение, 1997, № 2, - С. 38 - 42.

41. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. М.: Финансы и статистика, 1998. -287 с.

42. Щекин С.В. Концептуальное моделирование программного обеспечения графических систем. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. тех. наук. СПб, ГУАП, 1999.

43. Avenue. Настройка и разработка приложений в Arc View. Руководство пользователя. Environmental Systems Research Institute, Inc. 1996. 280 c.

44. Forrester, Jay W. 1958. "Industrial Dynamics-A Major Breakthrough for Decision Makers." Harvard Business Review, Vol. 36, No. 4, pp. 37-66.

45. Forrester, Jay W. 1971. World Dynamics. (1973 second ed.). Portland, OR: Productivity Press. 144 pp.

46. Graphic query, display and cartographic output. User's guide Environmental Systems Research Institute, Inc. 1994.

47. MapInfo/MapBasic Professional. User guide. Maplnfo Corporation, Troy, New York. 1998.-285 pp.

48. Powersim 2.5 Reference Manual.-Herndon, USA: Powersim Press, 1996.- 427 pp.

49. PC ARC/INFO STARTER KIT. Руководство пользователя / Пер. с англ. М.: с/п Дата+ ,1993.

50. Simple Macro Language for PC ARC/INFO. User's guide Environmental Systems Research Institute, Inc. 1994.