автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Методика и инструментальные средства 3D-визуализации в исследованиях и обосновании решений в энергетике

На правах рукописи

005051239

Иванов Роман Андреевич

МЕТОДИКА И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ЗО-ВИЗУАЛИЗАЦИИ В ИССЛЕДОВАНИЯХ И ОБОСНОВАНИИ РЕШЕНИЙ В ЭНЕРГЕТИКЕ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 АПР 2013

Иркутск - 2013

005051239

Работа выполнена в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Массель Людмила Васильевна

(Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, заведующий лабораторией)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Захарова Алена Александровна

(Национальный исследовательский

Томский политехнический университет, заведующий лабораторией)

кандидат технических наук Попов Сергей Петрович (Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, ведущий научный сотрудник)

Ведущая организация: Институт вычислительного моделирования СО РАН, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50, к. 44

Защита диссертации состоится «11» апреля 2013 г. в 10.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 218.004.01 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ИрГУПС) по адресу: 664074, г.Иркугск, ул. Чернышевского, 15, ауд. А-803. тел. (8-3952) 63-83-11, (8-3952) 38-76-07 факс. (8-3952) 38-76-72 http://www.irgups.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного университета путей сообщения. Автореферат разослан «11» марта 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.004.01.

Ученый секретарь совета

по защите докторских и кандидатских

диссертаций

д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность выполненной работы определяется двумя основными факторами. Первым из них является значимость исследований проблем развития топливно-энергетического комплекса (ТЭК) и его подсистем. Исследования носят интеграционный многовариантный характер, т.е. исследователи, как правило, формируют множество вариантов исходных данных, рассчитывают их и выполняют анализ решений для каждого варианта.

Традиционно для исследований проблем развития ТЭК и его подсистем в Институте систем энергетики им. JI.A. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН разрабатывались пакеты прикладных программ и информационные системы. Постановки задач системных исследований в энергетике формулировались в работах Л.А. Мелентьева, A.A. Макарова, А.П. Меренкова, Ю.Д. Кононова, Л.Д. Криворуцкого, Б.Г. Санеева и др. Были реализованы версии программного обеспечения для автоматизации исследований направлений развития ТЭК под руководством И.А. Шера, Э.Н. Яськовой, Г.Н. Волошина, Г.Н. Антонова, Л.В. Массель и др.

Второй фактор обусловлен необходимостью графического отображения информации для поддержки принятия решений в энергетических исследованиях, а также появлением и развитием нового поколения средств ЗО-визуализации объектов и процессов, локализованных в пространстве и времени.

Существенную роль для принятия решений в любых исследованиях, оперирующих геопространственными данными, в том числе и систем энергетики, играет визуализация информации. Большинство энергетических объектов, процессов и величин, имеющих географическую привязку, отображаются в традиционных геоинформационных системах (ГИС). Применения ГИС для исследований различных предметных областей рассматривались в работах Бычкова И.В., Добрецова H.H., Кошкарева A.B., Серебрякова В.А., Ружникова Г.М., Якубайлика О.Э., Поповой О.М., Федорова Р.К. и др.

Происходящие в наши дни глубокие изменения в принципах, методах и технологиях работы с геопространственной информацией направлены на обеспечение нового качества процесса восприятия данных. Появление нового поколения средств и методов обработки геопространственной информации (геосервисов) может обеспечить поддержку процесса принятия решений для некоторых задач уже на уровне визуализации или отображения. Если визуальной информации недостаточно для принятия решения, изображение можно дополнить расчетными данными или другими обоснованиями.

Лидером в области создания и развития геосервисов являются продукты компании Google сервисы Google Maps и Google Earth. Однако в последнее время серьезное развитие получили геосервисы компаний Nasa (World Wind), Erdas (Titan), Microsoft (Virtual Earth и Bing Maps) и другие.

Преимуществом перечисленных геосервисов является новое качество визуализации, которое появляется в результате объединения нескольких уже известных технологий. Этот подход получил название "Situational Awareness" (Ситуационная осведомленность) - в России используется как синоним термин "неогеография". В основе подхода лежит принцип комплексного представления

разнородной информации в едином информационном пространстве в геоцентрической системе координат. В работе ситуационная осведомленность используется как инструмент ситуационного анализа в энергетике, который, в свою очередь является составляющей системного анализа.

Учитывая, что новые термины «Situational Awareness» и «Неогеография» еще не привычны и неоднозначно воспринимаются специалистами, автором было предложено использовать более устоявшийся термин «ЗО-геомоделирование», считая его синонимом термина «Неогеография», который впоследствии был заменен более точно характеризующим суть данной работы термином «ЗО-визуализация».

Направление, связанное с применением ЗО-визуализации (неогеографии) для отображения информации, развивается Клименко С.В., Еремченко Е.А., Леоновым А.В., Захаровой А.А., Дмитриевой В.Т. и др.

Принципиальными отличиями нового подхода от предыдущих (ГИС и карт) являются отказ от картографических проекций, использование высокоточных растровых спутниковых изображений и открытых гипертекстовых форматов хранения данных. Это дает определенные преимущества, такие, как хранение информации в геоцентрической системе координат, гарантирующей уникальность ее локализации, обеспечение естественного представления трехмерного пространства без утраты метрической достоверности (за счет того, что средства измерения интегрированы в интерфейс управления) и появление среды для создания и агрегации геоданных.

Исходя из вышесказанного, геосервисы представляют собой один из важных компонентов систем поддержки принятия решений. Они могут использоваться как на уровне экспресс-анализа, для быстрого формирования решений, так и на уровне глубокого анализа ситуации.

В то же время применение новой технологии для решения прикладных задач требует разработки как методического подхода, так и новых программных инструментальных средств, обеспечивающих использование универсальных геосервисов специалистами прикладных областей.

Объектом исследования является информационная технология исследований и поддержки принятия решения в энергетике.

Предметом исследования являются методы отображения информации на основе технологии ЗО-визуализации и методы построения нового инструментария для исследований и обоснования решений в энергетике.

Цель диссертационной работы: разработка нового методического подхода к визуализации информации в исследованиях и обосновании решений в энергетике на основе технологии ЗО-визуализации, а также реализация инструментальных средств его поддержки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: • Выполнить анализ предметной области (исследований систем энергетики) и

существующего инструментария исследований и анализ применения ЗО-

визуализации в других предметных областях.

• Разработать новый методический подход к визуализации информации в исследованиях и обосновании решений в энергетике, основанный на авторской методике ЗО-визуализации.

• Разработать требования к новой технологии и инструментарию, системно-концептуальные соглашения при разработке нового инструментария и обосновать выбор базовых технологий.

• Спроектировать архитектуру и интерфейс базового инструментального средства для поддержки авторской методики с учетом интеграции с другими программными компонентами.

• Выполнить постановку и решение задач визуализации результатов конкретных исследований в энергетике. Разработать инструментальные средства для решения прикладных энергетических задач на основе базового средства.

• Обосновать использование новых инструментальных средств на основе ЗО-визуализации как инструмента поддержки принятия решений в области энергетики.

Научная новизна. Новизну составляют и на защиту выносятся впервые предложенные:

1. Методический подход к визуализации в исследованиях и обосновании решений в энергетике, включающий:

• обоснование целесообразности использования для поддержки принятия решений в энергетике принципов сетецентричности, характеризующихся реализацией режима ситуационной осведомленности и применением технологии ЗО-визуализации;

• методические принципы использования ситуационной осведомленности (Situation Awareness) как инструмента ситуационного анализа в энергетике, являющегося составляющей системного анализа;

• методика ЗО-визуализации, интегрирующая авторские методику адаптации результатов исследований в энергетике и методику формирования геоданных для геосервисов.

2. Совокупность программных инструментальных средств для ЗО-визуализации в исследованиях и обосновании решений в энергетике, включающая:

• базовое инструментальное средство (Геокомпонент), поддерживающее предложенную методику ЗО-визуализации;

• специализированные инструментальные средства на основе Геокомпонента для ЗО-визуализации результатов решения энергетических задач.

3. Технология применения ЗО-визуализации для исследований и обоснования решений в энергетике, основанная на использовании авторских методик и инструментальных средств.

Практическая значимость. Предложенный методический подход и разработанные инструментальные средства применены для визуализации результатов решения следующих задач в энергетике при выполнении соответствующих хоздоговорных работ (имеются акты о внедрении):

1) визуализация количественных и качественных показателей энергетической безопасности, как на уровне отдельных индикаторов, так и по стране в целом;

2) получение профиля трассы и протяженности участков с различными горногеологическими условиями строительства для обоснования маршрутов газопроводов;

3) отображение полей выбросов вредных веществ в атмосферу объектами энергетики.

Результаты диссертационной работы применены при выполнении:

• проекта СО РАН № IV.31.2.13 «Методические основы и инструментальные средства интеллектуальной поддержки исследований в энергетике» в рамках приоритетной программы исследований СО РАН № IV.31.2. «Новые ГИС и Веб-технологии, включая методы искусственного интеллекта, для поддержки междисциплинарных научных исследований сложных природных, технических и социальных систем с учетом их взаимодействия» (2010-2012).

• проекта №2.29 «Интеллектуальные информационные технологии для исследования проблемы энергетической безопасности» по гранту Программы Президиума РАН №2 «Интеллектуальные информационные технологии, математическое моделирование, системный анализ и автоматизация» (20092012);

• проектов по грантам РФФИ №08-07-00172 (2008-2010), №10-07-00264 (20102012), №11-07-00192 (2011-2012), №12-07-00359 (2012) и №12-07-00439 (2012);

Результаты диссертационной работы были включены в разработку «Интеллектуальная инструментальная среда для поддержки принятия решений при обосновании вариантов развития топливно-энергетического комплекса Иркутской области с учетом требований энергетической безопасности», которая стала лауреатом областного конкурса в сфере науки и техники 2012 года в номинации «За лучшие научные, научно-технические и инновационные разработки молодых ученых».

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции "Computer Science and Information Technologies", Москва - Санкт-Петербург, 2010 г.; международной конференции «Геоинформатика: технологии, научные проекты», г. Барнаул, 2010 г.; международной конференции MEDIAS - 2012, Лимасол (Кипр), 2012 г.; Всероссийской конференции «Винеровские чтения», г. Иркутск, 2011 г.; XV - XVII Байкальских Всероссийских конференциях «Информационные и математические технологии в науке и управлении», г. Иркутск, 2010-2012 гг., Российско-монгольской конференции молодых ученых по математическому моделированию, вычислительно-информационным технологиям и управлению, Иркутск (Россия) - Ханх (Монголия), 2011 г., конференциях молодых ученых ИСЭМ СО РАН, г. Иркутск, 2010-2012 гг., а также на семинарах и заседаниях секций Ученого совета ИСЭМ СО РАН.

Личный вклад. Результаты, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

Публикации. По теме диссертации опубликованы десять работ, в т.ч. две в журналах, рекомендованных ВАК, одна - в коллективной монографии, три - в трудах международных конференций.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка из 82 наименований и 2-х приложений. Основной текст изложен на 114 страницах, включает 42 рисунка и 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель исследования, указываются научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приводятся структура и краткое содержание работы.

В первой главе выполнен анализ предметной области - исследований развития энергетики, а также возможностей и тенденций графического отображения (визуализации) результатов исследований, выполнена постановка задачи.

В первом разделе рассматриваются проблемы исследования направлений развития систем энергетики с позиций системного анализа. В области системного анализа автор опирается на результаты исследований, полученные Оптнером C.JL, Янгом С., Перегудовым Ф.И., Тарасенко Ф.П., Волковой В.Н. и др. В области ситуационного анализа - на результаты, полученные Поспеловым Д.А., Клыковым Ю.И., С. О'Доннелом, Данчулом А.Н., Демидовым Н.Н., Райковым А.Н. и др.

Комплексные исследования в энергетике можно разделить на два направления: 1) исследования развития, как отдельных систем энергетики, так и топливно-энергетического комплекса в целом; 2) исследования функционирования действующих систем и объектов энергетики. Данная работа относится к первому направлению.

Появление новых средств и методов работы с геопространственной информацией может обеспечить новое качество восприятия геоданных, а следовательно, улучшить процесс поддержки принятия решений, как на уровне экспресс-анализа, так и при более детальном изучении.

Во втором разделе описано новое поколение средств и методов визуализации геопространственных данных, получившее название Situational Awareness (ситуационная осведомленность). В работе ситуационная осведомленность рассматривается как инструмент ситуационного анализа, который, в свою очередь, является составляющей системного анализа (рис. 1).

Понятие Situational Awareness сформировалось на рубеже 1990-х годов и связано в первую очередь с пионерными работами Mica R. Endsley (Мика Эндсли). Согласно классическому определению, принцип Situational Awareness представляет собой «чувственное восприятие элементов обстановки в (едином) пространственно-временном континууме, осознанное восприятие их значения, а также проецирование их в ближайшее будущее»1.

Естественной альтернативой условностям картографического метода является использование изображений - например, космических или аэрофотоснимков. Синтез уже существующих технологий привел к появлению принципиально нового, отличного от картографического принципа отображения локализованной в пространстве и во времени информации, а также её контекста.

1 Situational Awareness - the perception of elements in the environment within a volume of time and space, the comprehension of their meaning, and the projection of their status in the near future. <Mica R.Endsley, Daniel J. Garland, Situation awareness: analysis and measurement, Lawrence Erlbaum Associates, 2000, ISBN 0805821341,9780805821345>.

Системным анализ

Анализ ситуации |

| Проблемы Постановка целей |

_Система целей

| Выработка решений 1

| Решения

Реализация

:

с

~I Результат ]

Оценивание

X

Оценка

Ситуационный анализ

Ситуационный анализ

включает:

• анализ проблемных ситуаций (например, ЧС в энергетике);

• выявление путей разрешения проблемных ситуаций (альтернатив);

• определение критериев оценки альтернатив;

• анализ альтернатив

Ситуационная осведомленность

Рис. 1. Взаимосвязь понятий «системный анализ», «ситуационный анализ» и «ситуационная осведомленность»

Для обозначения нового подхода в России используется термин «Неогеография». Далее в главе рассматривается современное состояние в области неогеографии (ЗО-визуализации). Дано определение неогеографии и обозначены основные преимущества подхода. Согласно определению, неогеография - это новое поколение средств и методов отображения локализованной в пространстве и во времени информации, отличающееся от традиционных (классических карт и ГИС) тремя основными признаками:

• представлением информации в единой геоцентрической системе координат, а не в картографических проекциях;

• применением растрового, а не векторного представления географической информации в качестве основного;

• использованием открытых гипертекстовых форматов представления геоданных*.

Это дает определенные преимущества, такие, как хранение информации в геоцентрической системе координат, гарантирующей уникальность ее локализации без ущерба детальности, возможность обеспечения трехмерного не ортогонального, но при этом метрически точного, отображения местности и ситуации, а также появление среды массового создания и агрегации геоданных.

Развитие информационных технологий (ИТ) делает очевидной необходимость повышения уровня интеллектуализации инструментальных средств визуализации результатов исследований в энергетике, а также создания программного обеспечения, отвечающего требованиям современных ИТ, которое можно было бы легко модифицировать и адаптировать к изменяющимся условиям исследований.

2 Ерёмченко Е. Н. Неогеография: особенности и возможности. Материалы конференции «Неогеография ХХ1-2008» IX Международного Форума «Высокие технологии XXI века», Москва. -С. 170-179.

Появление нового подхода к визуализации разнородной информации может вывести системные исследования в энергетике на новый уровень восприятия информации.

В выводах по главе обозначены основные преимущества нового подхода к визуализации результатов системных исследований энергетики и сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе описывается предлагаемый автором методический подход к решению поставленной проблемы, включающий: обоснование целесообразности использования принципов сетецентричности для поддержки принятия решений в энергетике, характеризующихся реализацией режима ситуационной осведомленности и применением технологии ЗО-визуализации; методические принципы использования ситуационной осведомленности для поддержки принятия решений в энергетике и методику ЗО-визуализации, интегрирующую авторские методику адаптации результатов исследований в энергетике и методику формирования геоданных для геосервисов.

В первом разделе выполнено обосновапие целесообразности использования принципов сетецентричности и ситуационной осведомленности для поддержки принятия решений в энергетике.

Сетецентричность - принцип организации систем управления, позволяющий реализовать режим ситуационной осведомлённости благодаря формированию и поддержанию единой для всех ярусов управления целостной, контекстной информационной среды. Автором предложено использовать этот принцип для под держки принятия решений в энергетике.

Решение проблемы непрерывной и высокоточной актуализации данных для всех ярусов управления возможно за счет реализации принципа сетецентричности. При этом важнейшим условием успешной поддержки принятия решений является использование одного и того же, не фрагментированного по какому либо признаку информационного образа реальной ситуации всеми ярусами системы управления. При реализации режима ситуационной осведомленности формирование такого информационного образа осуществляется с применением технологии ЗО-визуализации.

Автором выполнен анализ энергетических задач, в которых целесообразно использовать ситуационную осведомленность, как в процессе исследований энергетики, так и при обосновании рекомендуемых решений. Выделены следующие классы задач: исследования в области гидроэнергетики; в области экологии энергетики; связанные с развитием возобновляемых источников энергетики; обоснование решений по размещению объектов нефтегазовой отрасли; обоснование решений по транспортировке энергоресурсов; исследования проблем энергетической безопасности. Последний класс задач рассмотрен более подробно. Описана интеллектуальная ИТ-среда для поддержки принятия решений в исследованиях и обеспечении энергетической безопасности3, одним из компонентов которой являются инструментальные средства ЗО-визуализации, разработанные автором.

3 Интеллектуальная ИТ-среда разработана в лаборатории информационных технологий ИСЭМ СО РАН под руководством Л.В. Масссель

Во втором разделе сформулированы методические принципы использования ситуационной осведомленности как инструмента ситуационного анализа в энергетике, являющегося составляющей системного анализа.

Методические принципы использования ситуационной осведомленности для поддержки принятия решений в энергетике включают следующие основные положения:

1. Необходимым условием реализации предложенной концепции является использование единой информационной среды для всех ярусов управления.

2. Для успешной поддержки принятия решений требуются насыщение системы управления средствами связи и увеличение количества источников достоверной информации на нижних уровнях.

3. Предлагаются три основных яруса управления: ЛПР, Эксперт, Диспетчер, обмен данными между которыми должен осуществляться через единую информационную среду.

4. Одним из важных компонентов поддержки принятия решений на всех этапах является ЗО-визуализация.

5. Для загрузки данных в единую информационную среду используется формат

КМЬ4.

6. Для обработки данных могут использоваться предметно-ориентированные программные комплексы; результаты их работы преобразуются для формирования КМЬ-файла с помощью авторских методики и базового средства (Геокомпонента) и передаются в геосервис для ЗО-визуализации.

7. Для визуализации результатов решения новых классов задач выполняется разработка специализированных средств ЗО-визуализации на основе Геокомпонента с использованием предложенной автором методики адаптации данных.

Методические принципы иллюстрируются схемой поддержки принятия решений в рамках сетецентрического подхода, основанного на ситуационной осведомленности. В обобщенном виде эта схема представлена на рис. 2. Последовательность действий, выполняемых на трех основных ярусах управления, детализируется на рис. 3 в нотации ВРМЫ.

Предлагаемая автором методика ЗО-визуализации позволяет эксперту самостоятельно сформировать и подготовить для визуализации геопространственные данные результатов энергетических исследований. В свою очередь, методика ЗО-визуализации включает две методики. Методика формирования геопространственных данных необходима эксперту для добавления отсутствующих данных, которые можно будет использовать для дальнейших исследований. Методика адаптации результатов позволяет подстроиться под конкретную задачу (предметную область) и привести входные (извлеченные) данные к виду, необходимому для визуализации.

4 Формат KML был разработан компанией KeyHole для разметки геоданных на основе формата XML.

10

Рис. 2. Обобщенная схема поддержки принятия решений в энергетике в рамках сетецентрического подхода

Методика ЗБ-визуализации.

I. Методика формирования геоданных для ЗО-визуализации

Предложенная методика состоит из следующих этапов.

1. Моделирование структуры файла специального формата для ЗО-

визуализации.

Необходимость структурирования объектов в файле специального формата объясняется спецификой энергетических исследований. Одним из основных подходов к структурированию является разбиение страны на федеральные округа, а каждого округа на субъекты, что позволяет посмотреть как общую картину исследования для всей страны, так и состояние объектов исследования в конкретном федеральном округе и результаты исследований в конкретном субъекте.

Это еще раз подтверждает актуальность подхода Situational Awareness -настраиваемое отображение разнородной информации в единой системе геоцентрических координат.

2. Формирование геопространственных данных для ЗР-визуализации.

Данные для некоторых задач невозможно извлечь по причине отсутствия

необходимых файлов или программных средств. В этом случае эксперту предлагается самому принять участие в формировании геопространственных данных. Пользователь может создать метку, линию, многоугольник или модель, также для них можно указывать дополнительные свойства, кроме основных (название, широта, долгота и высота). Например, детальное описание, привязка к рельефу, соединение с поверхностью Земли, сглаживание и др.

Задание

Запрос данных

КМЬф|Йл

Эксперт

Диспетчер

Диспетчер

ЗО-визуализация

Запрос данных

Единая информаци онная среда

Объект энергетики

Рис. 3. Схема поддержки принятия решений в энергетике в рамках сетецентрического подхода

в нотации ВРМЫ

3. Создание специального файла для ЗО-визуализации.

Для визуализации геопространственных данных необходимо сгенерировать специальный файл для загрузки в геосервис. Формат загружаемого файла (KML) был специально разработан для разметки данных, локализованных в пространстве и времени. Файл будет заполняться данными по заданной исследователем структуре, либо данные будут получены и трансформированы методикой адаптации.

II. Методика адаптации данных для ЗО-визуализации

Методика адаптации служит для соотнесения входных данных и объектов, которые могут быть отражены в рамках нового подхода (ЗО-визуализации). Для разных исследований одни и те же объекты KML могут нести разную смысловую нагрузку, следовательно, необходима разработка модуля для каждой новой задачи или предметной области.

Предложенная методика состоит из последовательности этапов, описанных

ниже.

1. Извлечение данных.

Геопространственные данные энергетических объектов и результаты исследований систем энергетики, требующие отображения, хранятся в файлах разных форматов (например, Doc, Xls, Txt и др.) или передаются из других программных комплексов и компонентов, разработанных ранее (например, ПК «ИНТЭК-М», Репозитарий5 и др.). В ходе этого предварительного этапа предполагается извлечение данных из файлов или инструментальных средств и передача их для дальнейшей адаптации.

2. Проведение необходимых расчетов.

Данные для визуализации в некоторых задачах требуют трансформации, перевода в другую систему координат или серьезных расчетов, выполняемых на данном этапе.

Для новой задачи или предметной области благодаря предложенной методике обеспечивается возможность создания специального модуля для адаптации результатов энергетических исследований. Результатом обеих методик будет KML-файл, готовый для загрузки в геосервис для последующей ЗО-визуализации. Полученный результат является визуализацией геопространственных данных энергетических исследований или сформированных исследователем данных. Методика ЗО-визуализации в нотации IDEF0 представлена на рис. 4.

В третьем разделе второй главы обосновывается выбор базовых технологий. В качестве геосервиса предлагается выбрать платформу Google Earth. Для загрузки геопространственных данных в геосервис Google Earth необходимо создать файл специального формата (KML-файл). Формат KML был разработан на основе формата XML, поэтому основным критерием выбора языка программирования было наличие встроенного инструментария для работы с XML.

Массель JI.B., Болдырев Е.А., Макагонова H.H., Копайгородский А.Н., Черноусое A.B. ИТ-инфраструктура научных исследований: методический подход и реализация // Вычислительные технологии, т.11,2006,- С.59-67.

Требования прикладной задачи

Требования к представлению данных для геосервисов

Постановка прикладной задачи

Данные прикладной

Подготовленные данные

зздачи

Входные данные

Методика ■■

формирования |_

геоданных i

i KMl-файл

ЗОчяображение

Визуализация данных

Прикладной лрофаммист

Геокомпонент

Геосервис

Рис. 4. Методика ЗО-визуализации в нотации IDEF0

Наиболее полным набором возможностей для работы с XML обладает язык Java и может использоваться при реализации инструментария для работы с KML-файлами. Еще одним аргументом в пользу выбора языка Java является поддержка совместимости с другими программными комплексами и компонентами, разрабатываемыми на языке Java в ИСЭМ СО РАН и входящими в состав интеллектуальной ИТ-среды для поддержки исследований и обеспечения энергетической безопасности.

Таким образом, в качестве базовых технологий предлагаются:

1. Геосервис Google Earth (версия выше 4, для обеспечения возможности отображения режима 4D).

2. Язык Java, в качестве основного языка при разработке инструментального средства визуализации.

3. Язык разметки геопространственных данных (KML), как встроенное средство загрузки данных в геосервисе Google.

В четвертом разделе рассматривается язык KML, служащий для описания локализованных в пространстве и времени данных. Геосервисы, подобные Google Earth, предоставляют пользователю среду для отображения, изменения и обмена трехмерной геопространственной информацией. Одной из особенностей геосервиса Google является загрузка данных через файл формата KML.

KML (Keyhole Markup Language - язык разметки Keyhole) - язык разметки на основе XML, служащий для представления трёхмерных геопространственных данных. KML-файлы обычно распространяются в формате KMZ, который является результатом сжатия KML-файлов ZIP-способом.

Далее рассматриваются те объекты языка KML, которые представляют интерес для описания энергетических объектов. KML-файл определяет один или несколько объектов. Этими объектами могут быть: метка, многозвенная линия, многоугольник,

изображение, модель. Подробнее объекты KML и примеры его применения описаны в тексте диссертации.

Пятый раздел второй главы посвящен требованиям к разрабатываемому инструментарию, включающим общие, технические и требования предметной области, а также системно-концептуальным соглашениям. В качестве основных требований можно выделить: надежность и безопасность передаваемой и хранимой информации, наличие гибкого интерфейса, расширяемость и модульность.

В шестом разделе второй главы рассматривается проектирование нового инструментального программного средства ЗО-визуализации.

Визуализацию результатов энергетических исследований можно представить в виде двух этапов: расчетная часть и отображение данных. При выбранном способе загрузки отображаемые данные должны быть представлены в виде специального KML-файла. Следовательно, программный компонент можно разбить на две основные части: модуль расчета и модуль визуализации. В связи с тем, что геосервисы, подобные Google Earth, обладают ограниченным набором объектов и процессов, предложено разработать программный компонент (Геокомпонент) для формирования KML-файла из результатов исследований. Архитектура Геокомпонента представлена на рис. 6.

Модуль адаптации состоит из блока извлечения данных и блока вычислений. Блок извлечения осуществляет сбор входных данных из файлов или программных комплексов. Блок вычислений производит необходимые операции с входными данными (математические расчеты, преобразования форматов и т.д.), если таковые операции необходимы.

Модуль формирования геопространственных данных состоит из 3 блоков -блока моделирования структуры, блока наполнения данными и блока генерации специального KML-файла.

Блок генерации специального KML-файла (рис. 6) или собирает KML-файл по заданной структуре, наполняя его сформированными данными, или создает KML-файл из данных, полученных от модуля адаптации. Результатом работы Геокомпонента будет являться KML-файл, который загружается в геосервис для ЗО-визуализации. Обобщенный алгоритм формирования структуры KML-файла приведен на рис. 5. Детализация алгоритма описана в тексте диссертации.

Предложенная архитектура обеспечивает возможность адаптации Геокомпонента под требования конкретной задачи. Для этого для новой задачи необходимо запрограммировать новый модуль адаптации, формирующий данные для отображения, и настроить их передачу в модуль формирования геоданных.

Использование Геокомпонента облегчает решение задачи ЗО-визуализации для исследователя-непрограммиста, которая сводится для него практически к задаче подготовки данных по заданному шаблону при помощи модуля адаптации.

Рис. 5. Обобщенный алгоритм формирования структуры КМЬ-файла

Интеграция с существующими и разрабатываемыми инструментальными средствами возможна благодаря технологиям, использующимся при разработке, и архитектуре нового инструментального средства визуализации. Архитектура нового инструментального средства, в свою очередь, предоставляет возможность адаптации к конкретной предметной области путем изменения модуля адаптации (рис. 6).

В третьей главе рассмотрены реализация и применение нового инструментария визуализации геопространственной информации.

Геосервисы, совместно с авторским компонентом, могут использоваться как локально, для решения поставленной задачи, так и в составе инструментальной ИТ-среды разрабатываемой в ИСЭМ СО РАН, предназначенной для интеллектуальной поддержки принятия решений при определении направлений развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности.

Геосервис

Рис. 6. Архитектура разработанного автором Геокомпонента

Первый раздел посвящен реализации нового базового инструментального средства ЗО-визуапизации на языке Java на основе разработанных автором алгоритмов и сформулированных им системно-концептуальных соглашений. Результатом работы Геокомпонента является файл с расширением .kml, готовый для загрузки в геосервис. После загрузки пользователю предоставляется отображение результата, полная структура файла, возможность выбора дополнительных слоев, которые предоставляет геосервис, а также средства измерения и формирования геопространственной информации (рис. 7).

Рис. 7. Отображение файла KML в геосервисе

Технология применения Геокомпонента для ЗО-визуализации результатов энергетических исследований иллюстрируется рис. 8. Методика ЗО-визуализации, включает две составляющих: методику адаптации результатов исследований и методику формирования геоданных. Поддержку предложенной технологии ЗО-визуализации обеспечивают соответствующие модули Геокомпонента (модуль адаптации и модуль формирования геоданных). Стрелками показаны действия, необходимые для ЗО-визуализации.

Применение нового инструментария (Геокомпонента) для исследований и обоснования решений в энергетике рассмотрено на примере создания специализированных инструментальных средств для трех прикладных задач: получение данных для экономического обоснования маршрута газопровода, отображение индикаторов энергетической безопасности России и ее регионов и визуализация полей выбросов вредных веществ вблизи объектов энергетики.

Методика адаптации

результатов исследований

Методика формирования

геоданных

Энергетическая задача, требующая визуализации

Отображение результата

Геосервис

Рис. 8. Технология применения Геокомпонента

Во втором разделе рассмотрено экономическое обоснование выбора вариантов трассы, которое представляет собой расчет стоимости прокладки газопровода на основе профиля рельефа и других характеристик. Геосервис Google Earth позволяет строить профиль рельефа по заданному маршруту. В каждой точке трассы можно получить сопутствующие данные: высоту над уровнем моря, расстояние от начальной точки маршрута, уклон подъема или спуска. Для заданного маршрута рассчитываются сводные данные: длина, диаграмма высот, увеличение или уменьшение высоты, максимальный и средний уклон трассы.

На рис. 9,а. отображены пять вариантов маршрутов транспорта газа от Ковыктинского газо-конденсатного месторождения (ГКМ). Для оценки эффективности того или иного варианта трассы необходимо проведение специальных экономических исследований. Основными критериями сравнения вариантов прокладки газопровода являются капитальные вложения в строительство и затраты на транспорт газа по построенному газопроводу. Также для расчета коэффициентов удорожания капитальных вложений на регион исследований были наложены карты почв и мерзлот (рис. 9,6).

а б

Рис. 9, а. Пять вариантов прокладки газопровода от Ковыктинского ГКМ, б. Карты почв и мерзлот региона и три основных маршрута прохождения трассы газопровода.

Третий раздел третьей главы посвящен визуализации количественных и качественных показателей энергетической безопасности (ЭБ). Оценку основных показателей состояния энергетики, как обобщенных, так и частных, можно осуществлять на основе использования системы индикаторов энергетической безопасности, т.е. системы показателей, характеризующих уровень, состав и глубину угроз ЭБ.

Автором разработана специальная схема цветовой дифференциации различных состояний показателей. Так, кризисные состояния отображаются красным цветом приемлемые состояния — зеленым цветом. Предкризисные состояния, в зависимости от значения показателя, имеют оттенок желтого цвета, приближающийся к красному цвету, либо оттенок, который приближается к зеленому цвету. Разница значений показателей ЭБ определяется высотой и цветом цилиндра, который указывают на текущее значение показателя. На рис. 10,а представлено качественное состояние итогового показателя ЭБ по Северо-Западному федеральному округу (ФО). Для отображения итогового состояния ЭБ по всей России для каждого субъекта были использованы многоугольники, форма которых повторяет границы субъектов РФ, т.к. отображение цилиндров для всех субъектов затрудняет восприятие. В зависимости от состояния ЭБ в субъекте многоугольник окрашивается в 3 различных цвета: зеленый соответствует приемлемому состоянию, оранжевый - предкризисному состоянию, красный - кризисному состоянию (рис. 10, б.). В результате применения описанного методического подхода к ЗО-визуализации была достигнута поставленная цель, выражающаяся в достаточной наглядности и информативности представления оценок, как отдельных индикаторов, так и их интегральных значений с позиций энергетической безопасности.

В четвертом разделе рассмотрено применение методического подхода и Геокомпонента для визуализации полей выбросов вредных веществ вблизи объектов энергетики.

а б

Рис. 10, а. Качественное состояние итогового показателя мониторинга ЭБ по Северо-Западному ФО, б. Отображение качественного состояния энергетической безопасности на территории Российской Федерации

Задача была разбита на 2 подзадачи:

• отображение средствами геосервиса исходных (измеренных) данных, путем извлечения информации из файлов Excel;

• визуализация средствами геосервиса изолиний и функций распределения, построенных на основе измеренных данных.

Для решения первой подзадачи автором был написан специальный модуль для Геокомпонента, извлекающий исходные данные из Excel-файлов и создающий на их основе KML-файл (рис. 11, а.). Исходные данные хранятся в двух файлах Excel: первый содержит координаты точек, в которых проводится снегосъемка, второй -концентрацию веществ в измеренных точках. Также пользователь может выбрать вещества, которые необходимо извлечь в KML-файл.

После нажатия кнопки «Готово» Геокомпонент извлечет данные из файлов Excel и составит на их основе KML-файл (рис. 11, б.). _

Рис. 11, а. Интерфейс окна Геокомпонента для экспорта измеренных данных из Excel-файлов; б. Отображение концентрации оксида серы (S04) вблизи ТЭЦ г. Шелехова

Решение второй подзадачи требует больших математических расчетов, поэтому экспертами было поставлено основное требование к модулю для Геокомпонента -язык программирования Python. Для построения функции распределения

J

загрязняющих веществ необходима бикубическая интерполяция, которая реализуется встроенной в Python библиотекой. На данный момент производятся вычисления параметров функции распределения.

Реализация модуля для первой подзадачи позволила автоматически извлекать данные из исходного файла и на их основе получать KML-файл, что в значительной мере упрощает работу эксперта. Конечная визуализация функции распределения позволит отображать поле выбросов вредных веществ вблизи объектов энергетики.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе решена важная и актуальная научно-практическая задача создания методического подхода к ЗО-визуализации результатов исследований и обоснования решений в энергетике и инструментальных средств его поддержки. Получены следующие основные результаты:

1. Выполнен анализ предметной области и существующих систем визуализации исследований систем энергетики. На основе проведенного анализа сформулирована проблема создания нового методического подхода и инструментальных средств ЗО-визуализации для поддержки принятия решений в энергетике.

2. Выполнен анализ современных инструментальных средств визуализации геопространственной информации, на основе которого обоснован выбор средств, подходящих для решения поставленной задачи, а именно, геосервиса Google Earth, или подобного ему, который обладает возможностью загрузки специальных KML-файлов.

3. Предложено использовать принципы сетецентричности, характеризующиеся реализацией режима ситуационной осведомленности и применением технологии ЗО-визуализации, для поддержки принятия решений в энергетике.

4. Разработан методический подход, включающий: обоснование целесообразности использования принципов сетецентричности для поддержки принятия решений в энергетике, методические принципы использования ситуационной осведомленности и методику ЗО-визуализации.

5. Реализовано новое базовое инструментальное средство - Геокомпонент - для поддержки предложенной автором методики ЗО-визуализации при решении энергетических задач.

6. Разработана технология применения ЗО-визуализации для исследований и обоснования решений в энергетике, основанная на использовании авторских методик и инструментальных средств.

7. Разработаны, на основе новой методики ЗО-визуализации и базового инструментального средства - Геокомпонента - специализированные инструментальные средства для визуализации решения конкретных энергетических задач: ЗО-визуализация количественных и качественных показателей энергетической безопасности; сравнение и экономическое обоснование выбора маршрутов газопроводов с использованием ЗО-визуализации и ЗО-визуализация полей выбросов вблизи энергетических объектов.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Иванов P.A. Методика ЗГ>-визуализации для поддержки принятия решений в энергетических исследованиях // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2013. №1(37). - с. 116-121.

2. Массель JI.B., Иванов P.A. ЗО-геомоделирование в исследованиях энергетики: примеры применения и перспективы. /Вестник ИрГТУ. - 2011. Вып. 4(51).-с. 6-11.

3. Массель JI.B., Иванов P.A. Интеграция традиционных ГИС и методов неогеографии для визуализации результатов исследований энергетики. Геоинформационные технологии и математические модели для мониторинга и управления экологическими и социально-экономическими системами : ИВТ СО РАН; Ин-т водных и экологических проблем. — Барнаул: Пять плюс, 2011. -с. 156-162.

4. Massel L.V., Ivanov R.A. Possibility of application of Situational Awareness in energy research. / Proceedings of the Workshop on Computer Science and Informational Technologies (CSIT-2010), Russia, Moscow - St.Petersburg, September 13-19, 2010. - Volume l,Ufa State Aviation Technical University, 2010. -p. 185-187.

5. Иванов P.A. Отображение геопространственных данных объектов энергетики с использованием языка разметки KML. Информационные и математические технологии в науке и управлении / Труды XV Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении». Часть III. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2010. - с. 110-114.

6. Иванов P.A. Визуализация геопространственной информации в исследованиях и принятии решений в энергетике с использованием геосервисов. Информационные и математические технологии в науке и управлении / Труды XVI Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении». Часть III. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2011. - с. 82-89.

7. Иванов P.A. ЗО-геомоделирование как инструмент поддержки принятия решений для исследований систем энергетики. Винеровские чтения / Труды IV Всероссийской конференции. Часть II. - Иркутск: ИрГТУ, 2011. - с. 91-96.

8. Иванов P.A. Возможности применения неогеографии в исследованиях энергетики. / Системные исследования в энергетике. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2010. - 367 с. - (Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН, вып.40). - с. 209-214.

9. Иванов P.A. Применение ЗО-геомоделирования для решения задач обоснования маршрутов газопроводов Системные исследования в энергетике/ Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып.41 - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2011.-с. 126-132.

Ю.Иванов P.A. Применение ЗО-геомоделирования для визуализации индикаторов энергетической безопасности России и ее регионов. /Системные исследования в энергетике. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2012. - (Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН, вып.42). - с. 148-152.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИКИ им. Л.А. МЕЛЕНТЬЕВА

УДК 004.921

На правах рукогшеи

Иванов Роман Андреевич

04201360046

МЕТОДИКА И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ЗБ-ВИЗУАЛИЗАЦИИ В ИССЛЕДОВАНИЯХ И ОБОСНОВАНИИ

РЕШЕНИЙ В ЭНЕРГЕТИКЕ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Массель Л.В.

ИРКУТСК-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................................................................................5

1. Исследования в энергетике и современное состояние в области визуализации их результатов.......................................................................13

1.1. Исследования направлений развития энергетики..................................13

1.1.1. Системный анализ...............................................................................13

1.1.2. Системные исследования в энергетике............................................22

1.2. Ситуационный анализ и Situational Awareness.......................................28

1.2.1. Ситуационный анализ как составляющая системного анализа.....28

1.2.2. Развитие понятия Situational Awareness и его определения...........30

1.2.3. Особенности трактовки понятия Situational Awareness..................31

1.3. Современное состояние в области ЗЭ-визуализации (неогеографии). 35

1.4. Выводы по главе 1 и постановка задачи диссертационной работы.......39

2. Предлагаемый методический подход к 3D -визуализации информации для поддержки принятия решений в энергетике.......................................41

2.1. Обоснование целесообразности использования принципов сетецентричности и ситуационной осведомленности для поддержки принятия решений в энергетике........................................................................41

2.1.1. Сетецентричность как основной принцип поддержки принятия решений................................................................................................................41

2.1.2. Обоснование целесообразности использования нового подхода для поддержки принятия решений в энергетике....................................................46

2.2. Методические принципы использования ситуационной осведомленности.................................................................................................51

2.3. Методика ЗБ-визуализации в исследованиях и поддержке принятия решений в энергетике.........................................................................................54

2.3.1. Методика формирования геопространственных данных для 3D-визуализации........................................................................................................56

2.3.2. Методика адаптации данных для ЗО-визуализации........................57

2.4. Обоснование выбора базовых технологий................................................58

2.4.1. Выбор геосервиса................................................................................58

2.4.2. Выбор языка программирования.......................................................60

2.4.3. Язык разметки геопространственных данных.................................61

2.5. Требования к новой технологии и инструментарию................................68

2.5.1. Общие требования..............................................................................68

2.5.2. Требования, обусловленные спецификой предметной области .... 69 2.5.3 Технические требования.....................................................................70

2.5.4. Системно-концептуальные соглашения при разработке нового инструментария...................................................................................................70

2.6. Проектирование нового инструментального средства визуализации -Геокомпонента.....................................................................................................71

2.6.1. Анализ существующих инструментальных средств создания специального КМЬ-файла..................................................................................71

2.6.2. Архитектура Геокомпонента.............................................................72

2.6.3. Интеграция с другими программными компонентами...................77

2.7. Выводы по главе 2........................................................................................79

3. Реализация Геокомпонента и его применение для ЗБ-визуализации в

энергетических исследованиях....................................................................81

3.1. Реализация нового инструментального средства визуализации -Геокомпонента и технология его применения.................................................81

3.2. Применение предложенного методического подхода и Геокомпонента для ЗБ-визуализации в задаче обоснования маршрутов газопроводов........86

3.3. Применение предложенного методического подхода и Геокомпонента для ЗБ-визуализации количественных и качественных показателей энергетической безопасности............................................................................91

3.3.1 Исследования развития энергетики с позиций энергетической безопасности........................................................................................................91

3.3.2. Постановка задачи..............................................................................96

3.3.3. Визуализация показателей.................................................................98

3.4 Применение предложенного методического подхода и Геокомпонента для ЗБ-визуализации полей выбросов вредных веществ вблизи объектов

энергетики..........................................................................................................101

3.5. Применение результатов диссертационной работы в проектах по грантам РФФИ, РГНФ и Президиума РАН....................................................104

3.6. Выводы по главе 3......................................................................................106

Заключение........................................................................................................107

Список литературы...........................................................................................109

4. Приложение 1. Геоинформационные системы и развитие геоинформационных технологий..................................................................120

5. Приложение 2. Проекты, реализованные с применением нового подхода к

визуализации информации - Неогеографии............................................130

6. Акты о внедрении....................................................................134

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность выполненной работы определяется двумя основными факторами. Первым из них является значимость исследований проблем развития топливно-энергетического комплекса (ТЭК) и его подсистем. Исследования носят интеграционный многовариантный характер, т.е. исследователи, как правило, формируют множество вариантов исходных данных, рассчитывают их и выполняют анализ решений для каждого варианта.

Традиционно для исследований проблем развития ТЭК и его подсистем в Институте систем энергетики им. JI.A. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН разрабатывались пакеты прикладных программ и информационные системы. Постановки задач системных исследований в энергетике формулировались в работах JI.A. Мелентьева, A.A. Макарова, А.П. Меренкова, Ю.Д. Кононова, Л.Д. Криворуцкого, Б.Г. Санеева и др. Были реализованы версии программного обеспечения для автоматизации исследований направлений развития ТЭК под руководством И.А. Шера, Э.Н. Яськовой, Т.Н. Волошина, Т.Н. Антонова, J1.B. Массель и др.

Второй фактор обусловлен необходимостью графического отображения информации для поддержки принятия решений в энергетических исследованиях, а также появлением и развитием нового поколения средств 3D-визуализации объектов и процессов, локализованных в пространстве и времени.

Существенную роль для принятия решений в любых исследованиях, оперирующих геопространственными данными, в том числе и систем энергетики, играет визуализация информации. Большинство энергетических объектов, процессов и величин, имеющих географическую привязку, отображаются в традиционных геоинформационных системах (ТИС). Применения ГИС для исследований различных предметных областей рассматривались в работах Бычкова И.В., Добрецова H.H., Кошкарева A.B.,

Серебрякова В.А., Ружникова Г.М., Якубайлика О.Э., Поповой О.М., Федорова Р.К. и др.

Происходящие в наши дни глубокие изменения в принципах, методах и технологиях работы с геопространственной информацией направлены на обеспечение нового качества процесса восприятия данных. Появление нового поколения средств и методов обработки геопространственной информации (геосервисов) может обеспечить поддержку процесса принятия решений для некоторых задач уже на уровне визуализации или отображения. Если визуальной информации недостаточно для принятия решения, изображение можно дополнить расчетными данными или другими обоснованиями.

Лидером в области создания и развития геосервисов являются продукты компании Google сервисы Google Maps и Google Earth. Однако в последнее время серьезное развитие получили геосервисы компаний Nasa (World Wind), Erdas (Titan), Microsoft (Virtual Earth и Bing Maps) и другие.

Преимуществом перечисленных геосервисов является новое качество визуализации, которое появляется в результате объединения нескольких уже известных технологий. Этот подход получил название "Situational Awareness" (Ситуационная осведомленность) - в России используется как синоним термин "неогеография". В основе подхода лежит принцип комплексного представления разнородной информации в едином информационном пространстве в геоцентрической системе координат. В работе ситуационная осведомленность используется как инструмент ситуационного анализа в энергетике, который, в свою очередь, является составляющей системного анализа.

Учитывая, что новые термины «Situational Awareness» и «Неогеография» еще не привычны и неоднозначно воспринимаются специалистами, автором было предложено использовать более устоявшийся термин «ЗБ-геомоделирование», считая его синонимом термина

«Неогеография», который впоследствии был заменен более точно характеризующим суть данной работы термином «ЗБ-визуализация».

Направление, связанное с применением 3 D-визуализации (неогеографии) для отображения информации, развивается Клименко C.B., Еремченко Е.А., Леоновым A.B., Захаровой A.A., Дмитриевой В.Т. и др.

Принципиальными отличиями нового подхода от предыдущих (ГИС и карт) являются отказ от картографических проекций, использование высокоточных растровых спутниковых изображений и открытых гипертекстовых форматов хранения данных. Это дает определенные преимущества, такие, как хранение информации в геоцентрической системе координат, гарантирующей уникальность ее локализации, обеспечение естественного представления трехмерного пространства без утраты метрической достоверности (за счет того, что средства измерения интегрированы в интерфейс управления) и появление среды для создания и агрегации геоданных.

Исходя из вышесказанного, геосервисы представляют собой один из важных компонентов систем поддержки принятия решений. Они могут использоваться как на уровне экспресс-анализа, для быстрого формирования решений, так и на уровне глубокого анализа ситуации.

В то же время применение новой технологии для решения прикладных задач требует разработки как методического подхода, так и новых программных инструментальных средств, обеспечивающих использование универсальных геосервисов специалистами прикладных областей.

Объектом исследования является информационная технология исследований и поддержки принятия решения в энергетике.

Предметом исследования являются методы отображения информации на основе технологии 3D-визуализации и методы построения нового инструментария для исследований и обоснования решений в энергетике.

Цель диссертационной работы: разработка нового методического подхода к визуализации информации в исследованиях и обосновании решений в энергетике на основе технологии ЗБ-визуализации, а также реализация инструментальных средств его поддержки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ предметной области (исследований систем энергетики) и существующего инструментария исследований и анализ применения ЗБ-визуализации в других предметных областях.

2. Разработать новый методический подход к визуализации информации в исследованиях и обосновании решений в энергетике, основанный на авторской методике ЗБ-визуализации.

3. Разработать требования к новой технологии и инструментарию, системно-концептуальные соглашения при разработке нового инструментария и обосновать выбор базовых технологий.

4. Спроектировать архитектуру и интерфейс базового инструментального средства для поддержки авторской методики с учетом интеграции с другими программными компонентами, разработать алгоритмическое обеспечение для его реализации.

5. Выполнить постановку и решение задач визуализации результатов конкретных исследований в энергетике. Разработать алгоритмы и инструментальные средства для решения прикладных энергетических задач.

6. Обосновать использование новых инструментальных средств на основе ЗБ-визуализации как инструмента поддержки принятия решений в области энергетики.

Научная новизна. Новизну составляют и на защиту выносятся впервые предложенные:

1. Методический подход к визуализации в исследованиях и обосновании решений в энергетике, включающий:

• обоснование целесообразности использования для поддержки принятия решений в энергетике принципов сетецентричности, характеризующихся реализацией режима ситуационной осведомленности и применением технологии ЗО-визуализации;

• методические принципы использования ситуационной осведомленности (Situation Awareness) как инструмента ситуационного анализа в энергетике, являющегося составляющей системного анализа;

• методика 3D-визуализации, интегрирующая авторские методику адаптации результатов исследований в энергетике и методику формирования геоданных для геосервисов.

2. Алгоритмическое обеспечение для разработки программных инструментальных средств 3 D-визуализации в исследованиях и обосновании решений в энергетике.

3. Технология применения 3 D-визуализации для исследований и обоснования решений в энергетике, основанная на использовании авторских методик и инструментальных средств.

Практическая значимость.

Разработана совокупность инструментальных средств для 3D-визуализации в исследованиях и обосновании решений в энергетике, включающая:

• базовое инструментальное средство (Геокомпонент), поддерживающее предложенную методику ЗО-визуализации;

• специализированные инструментальные средства на основе Геокомпонента для ЗО-визуализации результатов решения энергетических задач.

Предложенный методический подход и разработанные инструментальные средства применены для визуализации результатов решения следующих задач в энергетике при выполнении соответствующих хоздоговорных работ (имеются акты о внедрении):

1) визуализация количественных и качественных показателей энергетической безопасности, как на уровне отдельных индикаторов, так и по стране в целом;

2) получение профиля трассы и протяженности участков с различными горно-геологическими условиями строительства для обоснования маршрутов газопроводов;

3) отображение полей выбросов вредных веществ в атмосферу объектами энергетики.

Результаты диссертационной работы применены при выполнении:

• проекта СО РАН № 1У.31.2.13 «Методические основы и инструментальные средства интеллектуальной поддержки исследований в энергетике» в рамках приоритетной программы исследований СО РАН № 1У.31.2. «Новые ГИС и Веб-технологии, включая методы искусственного интеллекта, для поддержки междисциплинарных научных исследований сложных природных, технических и социальных систем с учетом их взаимодействия» (2010-2012).

• проекта №2.29 «Интеллектуальные информационные технологии для исследования проблемы энергетической безопасности» по гранту Программы Президиума РАН №2 «Интеллектуальные информационные технологии, математическое моделирование, системный анализ и автоматизация» (2009-2012);

• проектов по грантам РФФИ №08-07-00172 (2008-2010), №10-07-00264 (2010-2012), №11-07-00192 (2011-2012), №12-07-00359 (2012) и №12-0700439 (2012);

Результаты диссертационной работы были включены в разработку «Интеллектуальная инструментальная среда для поддержки принятия решений при обосновании вариантов развития топливно-энергетического комплекса Иркутской области с учетом требований энергетической безопасности», которая стала лауреатом областного конкурса в сфере науки

и техники 2012 года в номинации «За лучшие научные, научно-технические и инновационные разработки молодых ученых».

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции "Computer Science and Information Technologies", Москва - Санкт-Петербург, 2010 г.; международной конференции «Геоинформатика: технологии, научные проекты», г. Барнаул, 2010 г.; международной конференции MEDIAS -2012, Лимасол (Кипр), 2012 г.; Всероссийской конференции «Винеровские чтения», г. Иркутск, 2011 г.; XV - XVII Байкальских Всероссийских конференциях «Информационные и математические технологии в науке и управлении», г. Иркутск, 2010-2012 гг., Российско-монгольской конференции молодых ученых по математическому моделированию, вычислительно-информационным технологиям и управлению, Иркутск (Россия) - Ханх (Монголия), 2011 г., конференциях молодых ученых ИСЭМ СО РАН, г. Иркутск, 2010-2012 гг., а также на семинарах и заседаниях секций Ученого совета ИСЭМ СО РАН.

Личный вклад. Результаты, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

Публикации. По теме диссертации опубликованы десять работ, в т.ч. две в журналах, рекомендованных ВАК, одна - в коллективной монографии, три - в трудах международных ко