A MATHEMATICAL MODEL OF THE STANDARD ITSGIS QUALITY FUNCTIONAL DEPLOYMENT AND INTEGRATED VISUALIZATION GEOOBJECTS

Full Text

В настоящее время во многих развитых странах стоит задача оптимальной организации дорожного движения. Постоянно увеличивающийся транспортный поток требует все большей пропускной способности дорог, и привел к значительному повышению объемов движения и транспортным заторам. Диспропорция в темпах развития улично-дорожной сети и темпах роста количества автотранспорта приводит к ухудшению условий движения, транспортным задержкам, социальному дискомфорту, ухудшению экологической обстановки и перерасходу топлива. Несовершенная организация движения приводит к значительному снижению уровня безопасности, повышая вероятность возникновения ДТП до 30 %. Радикальное решение этих проблем может быть найдено путем расширения улично-дорожной сети. Но этот вариант требует чрезмерно больших капитальных вложений. Единственно приемлемой альтернативой сегодня являются действия, направленные на более эффективное использование существующей сети для оптимизации транспортных процессов [1, 2]. Основными задачами являются контроль, надзор и разрешительные функции в области организации и обеспечения безопасности дорожного движения. В ходе анализа выявлены следующие проблемы: . Недостаточно проработаны вопросы обработки и анализа регулярно поступающей информации о транспортных и пешеходных потоках, что затрудняет принятие оптимальных и экономически обоснованных решений. . Используются неэффективные методы работы с информацией. Заполнение множества документов, сбор и передача статистической информации производится вручную по «бумажной технологии». . Не реализуется комплексный подход к проектированию и внедрению проектов организации дорожного движения. В этой связи актуальной является задача разработки и реализации интеллектуальной транспортной геоинформационной системы «ITSGIS». Использование ITSGIS в качестве основы комплексного управления транспортной инфраструктурой позволяет существенно облегчить процесс наполнения баз данных (БД), визуализацию объектов, проведение топологического анализа, автоматизированное принятие оптимальных и экономически обоснованных решений. ITSGIS объединяет операции работы с БД, такие как запрос и статистический анализ с преимуществами полноценной визуализации и пространственного анализа, которые предоставляет обычная географическая электронная карта [3, 4]. Трехслойная архитектура клиент-сервер Математическая модель, лежащая в основе системы «ITSGIS», построена с использованием принципов объектно-ориентированного проектирования (ООП), описания физических объектов различной природы и взаимодействий между ними [5, 6, 7, 8]. При наличии нескольких подразделений и рабочих мест - пользователей ITSGIS, использование локальной сети и распределенный характер системы практически неизбежны, остальные же моменты определяются в зависимости от территориальной организации предприятия и интенсивности обмена информацией между территориально разнесенными подразделениями. Вместе с тем, уже первые попытки реализовать рецентрализацию на практике породили проблему преобразования данных при переходе от одной БД к другой. Проблема взаимодействия пользователя с несколькими БД одновременно решена введением в ITSGIS третьего слоя - правил бизнеса (бизнес-логики). Вынесение правил бизнеса в отдельный слой позволило отделить от конкретных реализаций логическую структуру данных - правила допустимости операций в ITSGIS, как с точки зрения любого ее компонента, так и с точки зрения ITSGIS в целом [9]. Логический контроль понимается в широком смысле: это и ссылочная целостность (отслеживание действий с подчиненными данными при изменении или удалении записи в основных данных), и синхронизированность географических и семантических данных (например, при удалении геообъекта на карте должны быть удалены и его семантические данные), контроль семантической корректности вводимых данных с контролем визуализации и дислокации геообъектов. Введение слоя правил бизнеса решает еще одну проблему - информационного взаимодействия распределенных пользователей ITSGIS. Таким образом, трехслойная архитектура позволяет обеспечить логическую целостность ITSGIS, объединяющей несколько баз данных и несколько приложений. Реализация логической целостности возлагается на особый слой архитектуры приложения - слой правил бизнеса на основе паттернов проектирования сложноорганизованных систем [10, 11, 12]. Рецентрализованная ITSGIS на основе стандартизованного набора клиентских программ предлагает создание распределенного комплекса плагинов, совместно работающих с несколькими серверами БД. В данной рецентрализованной системе реализована задача построения клиентских программ на основе стандартизованного набора средств программирования, доступа к БД и построения пользовательского интерфейса. Набор клиентских плагинов ITSGIS позволяет с минимальными изменениями перенастраивать систему на любой сервер БД. Трехслойная архитектура ITSGIS предлагает в качестве основы построения клиент-серверной модели. Клиентская часть обеспечивает средства взаимодействия ядра ITSGIS и ее пользователей. Серверная - организует централизованное хранение данных, поступающих из клиентских компонент, выдает определенным образом организованные данные по запросам клиентской части, а также обеспечивает целостность и непротиворечивость данных. Архитектура ITSGIS ITSGIS состоит из следующих частей [13]. 1. Ядро ITSGIS, являющееся комплексом программных средств, служащих основой для построения подсистем. Ядро включает следующие компоненты: . единое хранилище семантических данных на основе СУБД MS SQL Server; . оцифрованные карты населенных пунктов, на которые нанесены геообъекты различных инфраструктур (архитектура, транспортная, коммунальное хозяйство, туристическая, социальная, образовательная и др.); . сервер приложений (GaiAppServer); . редактор геометрий геообъектов; . модуль репликации данных; . административный модуль. 2. Подсистемы, решающие специализированные задачи [14]: . реестр геообъектов, георедактор реестра и подсистема мониторинга состояния геообъектов; . подсистема мониторинга оперативной информации; . подсистема генерации сводных отчетов, ХML шаблоны отчетов; . подсистема автоматизированной дислокации геообъектов; . подсистема моделирования распределения транспортных потоков; . подсистема расчета параметров локального управления транспортными потоками на перекрестках; . подсистема координированного управления транспортными потоками; . подсистема определения всевозможных путей на транспортной сети. Сервер приложений - это многокомпонентная система, реализованная как набор COM-объектов. Основные COM-объекты бизнес-уровня системы. . Компоненты, отвечающие за функциональность всей системы. Приложения-клиенты имеют доступ только к интерфейсу GaiAppServer, а прямой доступ к БД и ГИС невозможен. Кроме того, сам GaiAppServer тоже не имеет прямого доступа к уровню хранения данных, взаимодействуя с СУБД\\ГИС посредством промежуточных интерфейсов (IDB\\IMAP, соответственно). Такая организация системы позволяет полноценно использовать преимущество многоуровневой архитектуру. . Компонент, предоставляющий интерфейс доступа к СУБД (через MS ADO). . Компонент, предоставляющий интерфейс доступа к ГИС. Доступ от этого компонента к ГИС также осуществляется через DCOM\\COM интерфейс. Модуль репликации данных отвечает за процедуру обмена информацией с территориально удаленными базами данных, не имеющих доступ к центральной системе (например, репликация изменений пространственных данных). Административный модуль отвечает за настройку конфигурации системы, управление системой авторизации (добавление, удаление пользователя, изменения уровня доступа), обеспечения доступа к служебно-технической информации (система регистрации доступа\\изменения критических данных). Стандарт визуализации и дислокации геообъектов Функционирование сервера приложений регламентируется стандартом визуализации и дислокации геообъектов на соответствующих тематических слоях электронной карты ITSGIS. Основными документами, регламентирующими процесс сертификации визуализации и дислокации геообъектов, являются Стандарты ITSGIS, разработанные на основе ГОСТов РФ, руководства по сертификации и надзору за визуализацией многотипных геообъектов, применяемые независимой инспекцией при оценке и контроле качества функционирования ITSGIS [16, 17]. В этих документах собраны типовые протоколы оценки функций системы качества, применяемые при обследовании серийного производства электронных карт с тематическими слоями. Каждый из Стандартов ITSGIS фактически описывает сложную предикатную функцию, выполнение которой определяется комплексом условий различного характера. Среди этих условий можно выделить такие, как . наличие организационных и технических средств контроля и управления качеством продукции; . наличие в структуре тематических слоев всех необходимых подразделений слоев; . наличие во всех подразделениях слоев полного комплекта необходимой документации и выполнение ее требований; . полное и своевременное обеспечение всех этапов разработки тематических слоев и наполнения геообъектами с заполнением геопозиций и семантических данных; . налаженное взаимодействие всех структур тематических слоев и обеспечение их связанной (пространственно-координированной) работы; . соответствие квалификации комплексного наполнения тематических слоев уровню выполняемых работ; . организация и проведение плановых мероприятий по обеспечению необходимого качества тематических слоев электронной карты. Все условия, определяющие значение каждой из предикатных функций Стандартов геообъектов ITSGIS, образуют иерархическую структуру - «дерево качества геообъектов». На этапе математического моделирования системы качества тематических слоев этот факт позволяет формально рассматривать Стандарт геообъектов ITSGIS, как множество условий, с заданным на нем отношением частичного порядка. В отличие от Стандартов геообъектов ITSGIS, которые используются внешними контролирующими органами и имеют общий декларативный характер, Стандарт ITSGIS по качеству функционала и комплексной дислокации геообъектов, разработанный службой по качеству, опирается на стандарты предприятия-разработчика, которые реализуют предписания Стандартов геообъектов ITSGIS на данном конкретном производстве тематических слоев ITSGIS. Аналогично Стандартам геообъектов ITSGIS Стандарт ITSGIS по качеству функционала также имеет иерархическую структуру - «дерево качества функционала». В связи с этим, одной из основных задач построения плагина интеллектуального контроля качества производства тематических слоев является установление связей между Стандартом геообъектов ITSGIS и Стандартом ITSGIS по качеству функционала и комплексной дислокации. В терминах математической модели эту задачу можно сформулировать как построение отображения F: Q→Z множества Q условий дерева качества геообъектов в множество Z их реализаций - дерева качества функционала. Построение такого отображения позволит проанализировать систему качества разработки электронной карты с целью: . выявления элементов Стандарта геообъектов ITSGIS, не учтенных в Стандарте ITSGIS по качеству функционала и комплексной дислокации; . выявления элементов Стандарта ITSGIS по качеству функционала и комплексной дислокации, не задействованных в реализации требований Стандарта геообъектов ITSGIS (проверка отображения F на сюръективность); . оптимизации Стандарта ITSGIS по качеству функционала и комплексной дислокации для ее максимального соответствия требованиям Стандарта геообъектов ITSGIS. Третьей важнейшей составляющей комплексной математической модели плагина интеллектуального контроля качества производства тематических слоев, наряду со Стандартом геообъектов ITSGIS и Стандартом ITSGIS по качеству функционала и комплексной дислокации, является организационная структура тематических слоев электронной карты. Организационная структура тематических слоев электронной карты представляется множеством S структурных подразделений, иерархия которых задает отношение частичного порядка на этом множестве и формирует «дерево тематических слоев». Построение отображения G:Z→S множества Стандарта ITSGIS по качеству функционала и комплексной дислокации в множество организационной структуры тематических слоев электронной карты является второй основной задачей, решаемой при построении комплексной математической модели плагина качества. Сформированное отображение G, устанавливающее связь между элементами руководства по качеству электронной карты и элементами ее организационной структуры, позволит решать следующие актуальные задачи: . выявление элементов Стандарта ITSGIS по качеству функционала и комплексной дислокации, не «обслуживаемых» ни одним из подразделений организационной структуры тематических слоев электронной карты; . выявление подразделений организационной структуры тематических слоев электронной карты, не задействованных в реализации Стандарта ITSGIS по качеству функционала и комплексной дислокации (проверка отображения G на сюръективность); . выявление подразделений организационной структуры тематических слоев электронной карты, «перегруженных обязанностями» по реализации Стандарта ITSGIS по качеству функционала и комплексной дислокации; . оптимизация (реорганизация) организационной структуры тематических слоев электронной карты с целью выполнения требований Стандарта ITSGIS по качеству функционала и комплексной дислокации в полном объеме. Последним ключевым элементом математической модели является процесс производства, представленный множеством P технологической и конструкторской документации на семантику геообъектов электронной карты, производимых и дислоцируемых в ITSGIS. На практике множество P представлено единой базой данных геообъектов. Решение задачи построения отображения H:S→P и на его основе композиции отображений HG:Z→P позволит «замкнуть» связь между системой интеллектуального контроля качества производства тематических слоев Z и процессом производства P, что даст возможность управлять качеством продукции и всех этапов производственного процесса через систему качества ITSGIS. Таким образом, обобщенная математическая модель M плагина интеллектуального контроля качества производства тематических слоев представляется семеркой объектов M = {Q, Z, S, P, F, G, H}, где Q - множество требований Стандарта геообъектов ITSGIS, Z - множество положений интеллектуального контроля качества производства тематических слоев, S - организационная структура ITSGIS и P - процесс производства. Отображения F:Q→Z, G:Z→S, H:S→P и композиции GF:Q→S, HG:Z→P позволят установить соответствие требований Стандарта геообъектов ITSGIS с организационной структурой тематических слоев ITSGIS и выпускаемой продукцией через собственную систему качества ITSGIS - Стандарта ITSGIS по качеству функционала и комплексной дислокации. Такой подход позволит с минимальными затратами анализировать различные аспекты организации контроля качества на производстве с целью сделать этот контроль адекватно отвечающим современным требованиям к качеству высокотехнологичной продукции. Техническая реализация построенной математической модели подразумевает решение основных задач: . формализация нормативной документации по качеству (построение семерки объектов, задающих математическую модель M); . проектирование структур данных для хранения элементов математической модели и разработка алгоритмов ее анализа; . внедрение плагина интеллектуального контроля качества производства тематических слоев в работу всех плагинов ITSGIS при централизованном хранении информационных массивов. В настоящий момент плагин интеллектуального контроля качества производства тематических слоев разрабатывается в среде интеллектуальной транспортной геоинформационной системы ITSGIS. В силу универсальности многих решений [17], планируется распространение накопленного опыта на разработку новых тематических слоев для муниципальных образований Российской Федерации и стран СНГ.

About the authors

Vladislav Vadimovich Elizarov

Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov

Master Student of the Department of Information Systems and Technologies

Nikita Aleksandrovich Ostroglazov

Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov

Email: ameize@mail.ru
Graduate Student of the Department of Information Systems and Technologies

Elena Vladimirovna Chekina

Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov

Master Student of the Department of Transport Organization and Management

Alexander Igorevich Chugunov

Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov

Graduate Student of the Department of Transport Organization and Management

References

Supplementary files