Построение архитектуры аналитического инструментария интеллектуальной транспортной системы на основе паттернов проектирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Построение архитектуры аналитического инструментария интеллектуальной транспортной системы на основе паттернов проектирования

Т.И. Михеева, О.Н. Сапрыкин, О.В. Сапрыкина Михеева Татьяна Ивановна - д.т.н., профессор.

Описан подход к проектированию интеллектуальной транспортной системы, основанный на паттернах проектирования. Дано описание паттернам проектирования разных уровней и показан способ их применения в интеллектуальной транспортной системе. Описан архитектурный подход к интеграции геоинформационных систем в единую инфраструктуру.

Ключевые слова: веб-служба, распределение обязанностей, клиент, сервер, межсистемное взаимодействие.

Введение

Развитие основ проектирования идет одновременно с появлением новых технологий и должно в полной мере их удовлетворять. Методология формализации и анализа проблем интеллектуальной транспортной системы (ИТС) базируется на комплексной стратегии значительного повышения уровня абстракции используемых моделей, охватывающих реализуемые комбинации особенностей объектов предметной области. Кроме того, необходим учет фундаментальной базы знаний предметной области решаемой задачи с целью получения максимально содержательного конкретного результата этого анализа [1]. Такой методологии соответствуют концепции объектно-ориентиро-ванного анализа и проектирования, в основе которого лежит представление о том, что систему надо проектировать как совокупность взаимодействующих друг с другом объектов, рассматривая объекты как экземпляры определенных классов, образующих иерархию [2].

Существенными особенностями проектируемой интеллектуальной транспорт-ной системы как информационной модели являются:

- сложность и масштабность моделей, наполняющих ИТС, выражающиеся в большом количестве типов, в применении альтернативных механизмов множественного наследования и полиморфного переопределения свойств объектных типов, в использовании вложенных агрегатных и селективных конструкций и двунаправленных ассоциаций;

- необходимость поддержки запросов к данным в декларативном, предикативном и навигационном стилях, эффективной реализации базовых операций манипулирования ими;

- широкий контекст использования моделей в приложениях, оперирующих как с данными одной многопрофильной информационной схемы, так и с данными нескольких независимых схем.

Формализованное описание задачи проектирования, ее решения, рекомендации по применению этого решения в различных ситуациях, моделируемых проектируемой системой, резонно реализовать паттерном проектирования. Это требование продиктовано тем, что проектируемая система должна удовлетворять новейшим требованиям к программному обеспечению, быть стабильной, масшта-бируемой и интероперабольной. Система должна быть рассчитана на дальнейшее изменение и развитие наряду с появлением новых алгоритмов и технологий, в связи с чем необходимо избежать или, по крайней мере, свести к минимуму необходимость перепроектирования. Все это можно обеспечить, применив паттерны проектирования программных систем [3].

1. Геоинформационная составляющая ИТС

ИТС работает с большим количеством разнородной информации, поэтому одним из требований, предъявляемых к системе, является скорость обработки данных. С целью применения для обработки информации наиболее мощных средств в ИТС принято решение о разделении хранилища данных на две части: геоинформационную и семантическую составляющие базы данных (БД). Данные управляются соответствующими подсистемами, мастер доступа к данным реализует их консолидацию на уровне бизнес-логики и декомпозицию на уровне БД.

Геоинформационные данные об объектах ИТС (вид геообъекта, координаты, площадь, топология и т.д.) хранятся в базе данных под управлением геоинформа-ционной СУБД. С помощью геоинформационной системы (ГИС) организуется эффективный доступ к большому объему информации об объектах, имеющих пространственную привязку. Почти все современные векторные ГИС используют методологию «слоев» данных, объединяя объекты одного типа в отдельные таблицы - слои и устанавливая связи между ними. интеллектуальная транспортная система проектирование

Семантическая информация хранится в базе данных под управлением серверной СУБД. Это делает возможным применение эффективных алгоритмов поиска и обработки данных, высокоскоростного обмена данными, применение встроенных в СУБД средств резервного копирования информации и разграничения прав пользователей.

В последние годы развитие ГИС идет одновременно в нескольких направлениях. Во-первых, ГИС стали более доступны за счет сервисов популярных поисковых систем (например, Google и Яндекс). Во-вторых, увеличивается точность дистанционного зондирования с помощью искусственных спутников Земли (GeoEye, WorldView и FormoSat). В-третьих, профессиональные геоинформационные системы начали снабжаться средствами пространственного анализа, что расширяет круг пользователей и областей применения.

ИТС в качестве подсистемы содержит автоматизированную аналитическую систему обработки и анализа пространственно-координированных объектов ИТС. Система обладает комплексом аналитических инструментов, позволяющим решать нетривиальные задачи на электронных картах: кластерный анализ, регрессионный анализ, классификация и поиск ассоциативных правил. При решении задач используются как статистические алгоритмы, так и алгоритмы искусственного интеллекта. Использование тех или иных методов должно обеспечить их корректную работу с пространственными данными [4, 5].

2. Паттерны проектирования программных систем

Проектирование многоуровневой системы требует выявить объекты предметной области, отнести их к классам, определить интерфейсы классов и иерархию наследования, установить регламент отношений между классами, выделить компоненты системы, распределить классы между компонентами, определить контракты взаимодействия компонентов внутри системы и самой системы с внешней средой. Во многих современных системах можно встретить шаблоны, состоящие из классов, взаимодействующих объектов, а также содержащих их компонентов и сервисов, с помощью которых решаются конкретные задачи проектирования, распространенные во многих системах. Обобщение и класси-фикация таких задач и наиболее удачных путей их решения привели к появлению паттернов [6].

Паттерн проектирования - шаблонная модель, формализованное описание часто встречающейся задачи проектирования, эффективное в определенном контексте типовое решение проектной (программной) проблемы, а также рекомендации по применению этого решения в различных ситуациях [7].

Каждый паттерн описывает некую повторяющуюся проблему и метод ее решения, причем таким образом, что этим методом можно пользоваться при решении самых разнообразных задач. Паттерн проектирования именует, абстрагирует и идентифицирует ключевые аспекты структуры общего решения, которые и позволяют применить его для создания повторно используемой архитектуры. Данная особенность паттернов позволяет при проектировании ИТС абстрагироваться от особенностей реализации и сконцентрироваться на сущностях предметной области и решаемой задаче.

Использование паттернов проектирования дает неоспоримые преимущества: построенная в терминах паттернов проектирования модель системы является структурированным выделением тех элементов и связей, которые значимы при решении поставленной задачи. Применение паттернов проектирования повышает устойчивость системы к изменению требований и упрощает последующую дора-ботку системы.

По уровню использования паттерны можно разделить на следующие виды:

- паттерны проектирования классов и объектов;

- архитектурные системные паттерны;

- паттерны интеграции информационных систем [7].

При проектировании ИТС учтены все уровни использования паттернов проектирования, особенности каждого из них рассмотрены на примере архитектуры подсистемы ИТС, предназначенной для анализа пространственно-координированных объектов в ГИС.

3. Реализация паттернов проектирования в архитектуре автоматизированной системы анализа пространственно-координированных объектов

Для удовлетворения перечисленных требований к автоматизированной аналитической системе необходимо корректно подобрать паттерны проектирования и их взаимные связи на всех уровнях использования. Описание архитектуры в терминах паттернов проектирования позволяет абстрагироваться от технической реализации таких особенностей проекта, как распределенное вычисление, разделение системы на уровни, адаптирование данных для обработки на разных уровнях и другие.

3.1 Использование паттернов проектирования классов и объектов

Описание системы в терминах классов и объектов является низшим уровнем ее представления. По степени абстракции паттерны проектирования классов и объектов можно разделить на следующие виды:

- паттерны распределения обязанностей;

- паттерны взаимодействия классов.

Паттерны распределения обязанностей имеют своей целью показать общие принципы проектирования объектно-ориентированных систем, не вдаваясь в возможные варианты использования. К таким паттернам можно отнести большинство паттернов General Responsibility Assignment Software Patterns (GRASP) [6].

Паттерны взаимодействия классов ориентированы на более частные случаи проектирования, конкретные варианты использования. К ним можно отнести некоторые паттерны GRASP и все паттерны Gang-of-Four (GoF) [7].

В ходе проектирования автоматизированной системы анализа пространственно-координиро-ванных объектов ИТС использовались следующие паттерны: Адаптер (GoF), Заместитель (GoF), Информационный эксперт (GRASP), Низкая связность (GRASP), Итератор (GoF), Наблюдатель (GoF), Стратегия (GoF), Высокое зацепление (GRASP), Контроллер (GRASP), Полиморфизм (GRASP), Одиночка (GoF), Создатель (GRASP), Фабричный метод (GoF). Рассмотрим некоторые из них более подробно в применении к задачам, решаемым в рамках ИТС.

АДАПТЕР. Картографическая информация представлена на электронной карте в виде слоев (в MapInfo это таблицы в формате *.tab), на каждом из которых хранится определенный вид пространственных объектов. Алгоритмы анализа коррелируемых пространственных данных (пространственно-координированных) разработаны как универсальные и требуют в качестве входных параметров векторы и матрицы определенной размерности. Паттерн проектирования Адаптер (Adapter (GoF)) используется для преобразования информации из картографической формы в форму, удобную для работы нейроалгоритмов выявления зависимостей в пространственно-координированных данных. Паттерн преобразует интерфейс одного класса в интерфейс другого - того, который ожидают клиенты. Адаптер обеспечивает совместную работу классов с несовместимыми интерфейсами, которая без него была бы невозможна [7].

Вместо использования в методах картографической информации (что нарушает универсальность алгоритмов исследования данных) используется класс-адаптер. Адаптер агрегирует пространственно-координированные данные в их естественной форме (в виде слоев, таблиц) и оперирует с методами, возвращающими матрицы и векторы. Диаграмма классов для системы интеллектуального анализа состояния пространственно-коорди-нированных объектов показана на рис. 1.

IАлгоритм - интерфейс, который наследуют все алгоритмы исследования данных. АдаптерКарты - адаптер, приводящий интерфейс пространственно-координированных объектов, хранящихся в экземплярах классов Таблица и СлойКарты, к интерфейсу IАлгоритм. Таблица, СлойКарты - классы, описыва-ющие сущности таблиц и слоев электронных карт, - классы объектной модели MapXtreme.

Р и с. 1. Применение паттерна проектирования Адаптер

СТРАТЕГИЯ. При проектировании автоматизированной подсистемы интеллек-туального анализа состояния пространственно-коорди-нированных объектов ИТС необходимо учесть расширяемость системы в плане добавления новых алгоритмов исследования данных. Использование новых алгоритмов не должно отличаться от использования уже существующих. Система интеллектуального анализа состояния геообъектов позволяет определить зависимость уровня аварийности участка улично-дорожной сети от различных факторов, постоянно присутствующих или возникающих в процессе функционирования транспортной инфраструктуры: наличия детских учебных заведений, пешеходных переходов, дорожных знаков, аварийно-восстановительных работ, ведущихся на проезжей части, дорожно-тран-спортных происшествий и др.

Применение паттерна проектирования Стратегия (Strategy (GoF)) позволило элегантно решить эту задачу. Паттерн определяет семейство алгоритмов, инкапсулирует каждый из них и делает их взаимозаменяемыми. Стратегия позволяет изменять алгоритмы независимо от клиентов, которые ими пользуются. На рис. 2 изображена диаграмма классов, которая показывает применение паттерна Стратегия в ИТС.

Р и с. 2. Применение паттерна проектирования Стратегия

Клиентский класс элемента управления УровеньАварийностиЭлУпр (обеспечивает определение уровня аварийности участка улично-дорожной сети) имеет доступ к интерфейсной сборке и поэтому может определить переменную типа IАлгоритм. Каждый алгоритм описан в отдельном классе (MIAАлгоритм, COMBIАлгоритм, TMNNАлгоритм), реализуемом интерфейсом IАлгоритм. Клиентский класс получает ссылку на один из алгоритмов, расположенных на сервере, посредством класса-создателя, описанного ранее. Решение о том, какой класс алгоритма создавать, выносит пользователь, вызывая один из перегруженных методов класса-создателя.

В системе реализованы алгоритмы метода группового учета аргументов:

- итерационный многорядный алгоритм (Multilayered iterative algorithm, MIA) в классе MIAАлгоритм;

- комбинаторный алгоритм (Combinatorial algorithm, COMBI) в классе COMBIАлгоритм;

- дважды многорядные нейронные сети (Twice-Multilayered Neural Nets, TMNN) в классе TMNNАлгоритм.

С помощью паттерна Стратегия обеспечивается расширяемость системы за счет добавления новых алгоритмов построения регрессионной модели, добавление нового класса алгоритма к уже имеющимся не нарушит общей архитектуры системы.

3.2 Использование архитектурных системных паттернов

Архитектурные системные паттерны определяют эффективные пути объединения классов и объектов в компоненты и подсистемы, а также типовые способы взаимодействия между последними. В ходе проектирования использовались паттерны: Репозиторий, Клиент-сервер, Модель предметной области, Многоуров-невая система, Передача сообщений, Преобразователь данных.

Подробно рассмотрим применение к ИТС паттерна Клиент-сервер. На этапе проектирования необходимо предусмотреть возможность работы нескольких операторов (аналитиков) с подсистемой интеллектуального анализа состояния пространственно-координированных объектов ИТС. Они должны работать с одним набором данных и их действия должны быть синхронизированы.

Эти задачи в ИТС решаются при помощи использования архитектуры «клиент-сервер». Архитектура постоянно эволюционирует, наиболее устойчивым решением является трехуровневая архитектура (рис. 3).

Р и с. 3. Трехуровневая архитектура

Клиентские приложения ответственны за уровень представления (ввод пользователем данных и визуализация результата). База данных ответственна за хранение данных и обеспечение доступа к ним. Сервер приложений состоит из уровней бизнес-логики и данных. Уровень бизнес-логики верифицирует данные, пришедшие от клиента, и обрабатывает их в соответствии с бизнес-правилами. Обработка может содержать взаимодействие с уровнем данных и выполнение локальных вычислений. Промежуточный уровень передает результаты на уровень данных для хранения или возвращает клиенту результаты. Преимущество такой архитектуры заключается в более четком по сравнению с другими архитектурами распределении ответственности при обработке данных.

Если более одного уровня многоуровневой системы находится на одном компьютере, то разделение функций системы также дает преимущества. Разработ-чики получают возможность работать с разными уровнями по отдельности, например, переносить их на другие компьютеры в соответствии с новыми требованиями масштабируемости [8].

3.3 Использование паттернов интеграции информационных систем

В последнее время наблюдается рост интеграции ГИС в глобальное информационное пространство Интернет. Повышения эффективности данного процесса можно достигнуть путем взаимодействия с сервисами в глобальной сети. Например, сервисами, полезными для подсистемы интеллектуального анализа состояния пространственно-координированных объектов ИТС, являются сервисы электронных карт и сервисы спутниковых снимков. Между тем, организовав собственную систему как веб-сервис, можно предоставить к ней доступ третьим системам (рис. 4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структуру и механизмы межсис-тем-ного взаимодействия определяют паттерны интег-рации информационных систем. Данные паттерны находятся на верхней ступени в иерархии паттернов проектирования.

При проектиро-вании приме-няется сервис-ориенти-рован-ный подход. Сервис-ориентиро-ван-ное проектирование - это архитектурный подход, при котором интеграция слабосвя-занных ком-по-нентов распреде-ленных приложений обеспечи-вается посред-ством сообщений и контрактов.

В архитектуре разрабаты-ваемой системы применяется паттерн проектирования Обмен Сообщениями. В сервис-ориентированных приложениях фундаментальной единицей взаимодействия являются сообщения. Для реализации паттерна необходимо распределить между участниками процесса следующие роли: исходный отправитель сообщений, посредник и конечный приемник сообщений. Принимающей и отправляющей сторонам необходима следующая информация для установки контакта: адрес конечной точки, кодировка и контракт [9].

Совместимость осуществляется за счет поддержки системами таких стандартов, как HTTP, URL, XML и WS-*. Если первые три стандарта известны уже продолжительное время и поддерживаются подавляющим большинством систем, то последний разработан сравнительно недавно и его поддержка системами может быть ограниченной или вообще отсутствовать. WS-* - это семейство стандартов, описывающих формат сообщений, их передачу, шифрование, транзакционность пересылки и адресацию конечных точек. При отсутствии поддержки данного стандарта используется паттерн Адаптер для преобразования одного формата сообщений в другой.

Заключение

Применение описанных в статье паттернов проектирования позволило создать стабильную, масштабируемую и интероперабельную подсистему интеллектуального анализа состояния пространственно-координированных объектов ИТС. Проект системы рассчитан на постоянное развитие системы, в ней упрощена процедура добавления новых алгоритмов, модулей и источников данных. Проект учитывает масштабирование системы от локальной установки до использования в глобальной сети Интернет. Разделение системы на уровни позволяет определить качество каждого из них по отдельности, быстро локализовать ошибку и обеспечивает стабильную работу системы. Интероперабельность системе обеспечивает использование общепризнанных стандартов интеграции приложений. В результате исключено перепроектирование системы в будущем, которое вносит существенные затраты на этапе выполнения проекта.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Михеева Т.И. Использование принципов объектно-ориентированного проектирования интеллектуальной транспортной системы // Вестник Самарского гос. техн. ун-та. Сер. Физико-математические науки. №34. - Самара: СамГТУ, 2004. - С. 141-149.

2. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++ / Пер. с англ. - СПб.: Невский диалект, 1999. - 560 с.

3. Сапрыкин О.Н. Паттерны проектирования в архитектуре ИТС / Математика. Компьютер. Образование // Тезисы докладов ХV международной конф. - М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2008. - С. 116.

4. Михеева Т.И., Сапрыкин О.Н. Применение нейросетевых методов для анализа пространственных данных / Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах // Труды Седьмой международной научно-практической конференции. СПб гос. архит.-строит. ун-т. - СПб., 2006. - С. 81-84.

5. Михеева Т.И., Сапрыкин О.Н. Идентификации зависимостей в пространственно-распределенных данных с использованием нейросетевых технологий // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. №1(19). - Самара: СамГТУ, 2007. - С. 40-47.

6. Ларман К. Применение UML и шаблонов проектирования / Пер. с англ. - М.: Вильямс, 2004. - 624 с.

7. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования / Гамма Э., Хелм Р., Джонсон Р. и др. - СПб: Питер, 2001. - 368 с.

8. Оберг Дж. Технология COM+. Основы и программирование: Учеб. пособие / Пер. с англ. - М.: Вильямс, 2000. - 480 с.

9. Смит Дж. Основы Windows Communication Foundation: пер. с англ. - М.: Русская Редакция; СПб.: БХВ-Петербург, 2008. - 384 с.

Размещено на Allbest.ru