О подходе к реализации распределенной ГИС для ведения единой карты инженерных сетей города

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 004.414

О подходе к реализации распределенной ГИС для ведения единой карты инженерных сетей города

С.В. Косяков,

А.Б. Гадалов,

А.М. Садыков

ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

Резюме

Состояние вопроса: В настоящее время большинство предприятий, осуществляющих эксплуатацию инженерных сетей (электрических, водопроводных, тепловых, газовых и других) в городах, используют геоинформационные системы для ведения цифровых карт. При этом на каждом предприятии, а также в органах архитектуры и градостроительства существует необходимость видеть и анализировать все виды коммуникаций. Учитывая высокую динамику строительства и реконструкции зданий и объектов инфраструктуры в современных городах, обновление информации в множестве не связанных ГИС является серьезной проблемой. Ситуация усугубляется тем, что предприятия инженерных сетей являются самостоятельными хозяйствующим субъектами, поддерживающими собственную или ведомственную политику в области информатизации. ГИС на этих предприятиях обычно развиваются независимо друг от друга с использованием технологически не связанных программных решений. Это обусловливает необходимость поиска методов интеграции данных в подобных средах. геоинформационный цифровой коммуникация сеть

Материалы и методы: При разработке подхода к реализации распределенной геоинформационной системы использованы методы системного анализа и реинжиниринга бизнес-процессов. Предложенный подход отличается использованием унифицированного бизнес-процесса взаимодействия участников в распределенной гетерогенной информационной среде через специализированную информационную систему обмена данными.

Результаты: Предложен и формально описан подход к созданию распределенной геоинформационной системы, в которой обеспечивается автоматическая синхронизация цифровых карт, используемых на различных предприятиях инженерных коммуникаций города. Рассмотрены результаты апробации подхода на практических примерах в рамках работ по внедрению информационной системы обеспечения градостроительной деятельности в городе Иванове.

Выводы: Полученные результаты позволяют реализовать согласованное ведение единой карты инженерных коммуникаций города в разнородных ГИС без замены и существенной переработки программного обеспечения.

Ключевые слова: геоинформационная система, распределенная информационная система, цифровая карта города, карта сетей инженерных коммуникаций, информационная система обеспечения градостроительной деятельности.

Abstract

Background: At present, most companies operating city utility networks (power lines, water, heat and gas supply and others) use geographic information systems to maintain digital maps. And every company, as well as architectural and city planning agencies should see and analyze all kinds of utilities. As the rates of construction and reconstruction of buildings and infrastructure facilities in modern cities are very high, updating information can be a serious problem in a number of GIS that are not interconnected. The situation is worsened by the fact that utility companies are independent economic entities conducting their own or departmental policy in the field of IT development. GIS at such companies are developed separately from each other by using technologically independent programming solutions. This fact makes it necessary to find techniques of data integration in such environments.

Materials and methods: Methods of systems analysis and business-process reengineering were used in developing a new approach to the implementation of distributed geoinformation systems. The approach is based on a unified business process of participants' interaction within a distributed heterogeneous information environment through a specialized information system of data exchange.

Results: The authors have suggested and formally described an approach to developing a distributed geoinformation system with automatic synchronization of digital maps used by different utility companies in a city. They have also analyzed the approach approbation results by studying practical examples that are part of implementation of the city planning support information system in Ivanovo city.

Conclusions: The obtained results allow developing and maintaining a unified city utilities map in GIS of various types without replacing or considerable updating of the software.

Key words: geographic information system, distributed information system, digital city map, map of utilities, information system of city planning support.

Введение. Создание и ведение единой карты города, на которой точно представлены все существующие инженерные сети, является актуальной задачей для всех городов России. До широкого внедрения геоинформационной системы (ГИС) задача поддержки дежурных карт городов масштаба 1:500 в актуальном состоянии в органах муниципального управления представляла серьезную проблему. Предлагаемые решения обычно основаны на внедрении программного обеспечения одного производителя или интегратора и централизованном управлении процессами хранения данных. Примеры реализации такого подхода рассмотрены в [1-3]. Теоретические вопросы распределения данных в иерархических системах обработки пространственных данных - в [4].

Такой подход действительно снимает проблемы создания городской ГИС. Однако во многих городах, и в частности в городе Иванове, такое решение представляется неприемлемым, поскольку требует неоправданно больших затрат на замену программного обеспечения ГИС в организациях, где успешно функционируют другие решения. В условиях, когда большинство предприятий, обслуживающих инженерные сети, являются самостоятельными хозяйствующими субъектами, внедрение централизованных систем для ведения карты инженерных коммуникаций не имеет объективной организационно-финансовой основы. Более естественным и эволюционным вариантом интеграции различных ГИС для ведения единой карты инженерных сетей города в этом случае является использование технологий синхронизации данных без выделения централизованного хранилища данных. Технологической основой для создания таких систем могут быть веб-сервисы, которые предоставляют возможность стандартизации протоколов взаимодействия разнородных информационных систем. Общие вопросы создания таких ГИС рассмотрены, например, в [5]. Однако при практической реализации подобных систем главную сложность составляют не общие вопросы стандартизации интерфейсов, а методологические и организационные проблемы, связанные с определением порядка и состава конкретных операций обмена данными, учетом ограничений унаследованных решений, разрешением конфликтов интересов, противоречиями в моделях и наборах данных и т.п. Кроме того, политика безопасности и существующее программное обеспечение ГИС иногда затрудняют использование веб-интерфейсов.

На протяжении длительного времени выполняются практические разработки и исследования в сфере использования ГИС для решения задач муниципального управления [6, 7]. Ниже обобщается опыт ряда последних работ по созданию распределенной ГИС в городе Иванове в виде унифицированного и гибкого подхода к реализации и практическому внедрению подобных систем. Цель разработки подхода заключается в обеспечении достаточной надежности и управляемости процессами интеграции пространственных данных, а также возможности эволюционного расширения состава участников распределенной ГИС без существенных затрат с их стороны.

Предлагаемый подход к созданию в городе системы обмена пространственными данными предполагает введение некоторой информационной «надстройки» над процессами обмена пространственными данными, позволяющей упорядочить, контролировать и расширять единую систему распределенного ведения единой карты города средствами различных ГИС. При этом сохраняется договорная система взаимодействия между участниками без выделения главенствующего центра.

Постановка задачи. Наборы данных ГИС формируются из моделей пространственных объектов [8]. Формально состав пространственных данных ГИС i-й организации из множества I всех заинтересованных организаций можно представить в виде множества Pi = {pi| j = 1,…, J} описаний пространственных объектов. Каждый пространственный объект в ГИС представляется уникальным идентификатором, координатным описанием, набором атрибутов. К объекту в муниципальной ГИС может быть привязан набор документов. Для упрощения изложения будем рассматривать документ как атрибут объекта.

Все объекты разделены на классы. Множество классов C = {ck k = 1,…, K} объектов, которые могут участвовать в обмене данными, выделяется на основе единых классификаторов, применяемых для топографических планов масштаба 1:500. Объекты одного класса имеют одинаковый базовый набор атрибутов. При этом на каждом предприятии могут использоваться дополнительные классы и атрибуты объектов каждого класса, которые не участвуют в обменах данными в рамках распределенной ГИС. Их рассматривать не будем.

Каждое предприятие может быть поставщиком данных для одного или нескольких классов пространственных объектов либо части атрибутов объектов одного или нескольких классов. Так, например, предприятие водоканала ведет слои классов объектов водопроводной сети на основе своей строительной документации. Предприятие газоснабжения формирует слои классов объектов газовой сети, и т.д. Оба эти предприятия заинтересованы в получении данных друг друга и данных о всех зданиях, объектах гидрографии, растительности и т.д. из информационной системы обеспечения градостроительной деятельности (ИСОГД), поддерживаемой органами архитектуры и градостроительства.

Организации, отвечающие за ведение данных того или иного класса объектов и/или набора атрибутов класса объектов, будем называть поставщиком набора данных. Остальные организации, которые используют эти данные в режиме просмотра и анализа, - потребителями набора данных. В распределенной ГИС изменение данных может производить только поставщик соответствующего набора данных. При этом потребители должны, по возможности, оперативно и автоматически получать обновление этого набора данных.

При организации прямых связей между предприятиями по обмену данных возникает ситуация, представленная на рис. 1. Здесь для примера взяты три организации, которые совместно используют четыре класса пространственных объектов. С учетом различных технологий реализации информационных систем (ИС) Pi, различий в составе атрибутов, описывающих пространственные объекты, и привязанных к ним документов каждый обмен требует специального анализа и разработки. Понятно, что с ростом числа предприятий и классов в такой системе обменов могут возникать конфликты и противоречия и она становится трудно управляемой.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Схема нецентрализованного обмена данными

Цель разработки подхода заключается в создании унифицированного бизнес-процесса, методов и программных средств организации обменов данными в городе, которые позволят контролировать работу системы обмена данными в условиях изменения состава участников P, классов С, которыми они владеют, и привязанных к пространственным объектам данных и документов.

Общая модель распределенной ГИС города. Анализ результатов выполненных разработок по интеграции ГИС различных организаций позволил выделить этапы, которые всегда в той или иной мере присутствуют в проектах данной направленности. К ним относятся:

Анализ имеющихся наборов данных, используемых классов объектов, их атрибутов, привязанных документов. Установление поставщика и потребителей классов пространственных объектов.

Разработка и согласование регламента обмена данными между участниками процесса.

Разработка программного обеспечения для реализации процедур передачи данных от поставщика к потребителю для каждого класса пространственных объектов ci и каждой пары участников обмена.

Первичная синхронизация имеющихся наборов данных организаций.

Запуск процесса автоматического или автоматизированного обмена данными в соответствии с принятым регламентом.

Контроль процессов обмена и устранение противоречий в данных в случае их возникновения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Схема обмена данными с управлением

В свою очередь, это позволило предложить единую систему управления взаимодействиями в рамках распределенной ГИС города. Идея подхода заключается в создании некоего центра обмена пространственными данными между ГИС, который позволит отойти от прямых взаимодействий владельцев и потребителей классов объектов к использованию информационной системы организации обменов данными. Эта ИС предназначена исключительно для задач взаимодействия ИС и не использует средства ГИС. Схема обмена данными, представленная на рис. 1, в этом случае преобразуется в вид, показанный на рис. 2.

ИС обмена данными - это по сути база данных и файловое хранилище, в которых хранятся временные наборы данных в формате XML или обменных форматах ГИС, задания для запуска процедур импорта-экспорта и протоколы результатов обменов данными. Задания управляются программой, которая доступна администратору данной системы и частично администраторам ГИС предприятий через специальный пользовательский интерфейс.

Очевидно, что такая модель позволяет не только централизованно управлять процессами, но и подключать новые предприятия по единым правилам. При этом в той части обменов, где предприятие является потребителем данных, для остальных участников это присоединение может оказаться незаметным и не требовать доработок со стороны владельцев данных. В приведенной последовательности этапов работ по интеграции ГИС двух организаций уникальным остается первый этап работ, связанный с анализом используемых этими предприятиями данных, а также третий этап, связанный с необходимостью учитывать особенности реализации существующих ГИС. Но в процессе развития распределенной системы и эти работы все более унифицируются и затраты на них сокращаются.

Модели бизнес-процессов обмена данными в распределенной ГИС города. В процессе разработки решений по интеграции были разработаны бизнес-процессы обмена пространственными данными между не связанными ранее ГИС четырех организаций: Управления архитектуры и градостроительства города Иванова (УАиГ), Ивановского городского комитета по управлению имуществом (КУИ), Муниципального казенного учреждения «Многофункциональный центр предоставления государственных и муниципальных услуг в городе Иванове» (МКУ МФЦ в городе Иванове) и ОАО «Водоканал». Причем в УАиГ используются решения компании «СиСофт» на базе программного обеспечения UrbaniCS [1] и СУБД Oracle, в КУИ и МКУ МФЦ - решения на базе разработанной в ИГЭУ ГИС Scale Objects [9] и СУБД MS SQL Server, в ОАО «Водоканал» - решения на базе ГИС «Карта» ОАО «КБ Панорама» [10]. В UrbaniCS все пространственные данные хранятся в базе данных, поддерживаемой Oracle. Две последних ГИС используют для хранения пространственных данных файлы собственных форматов.

Два характерных варианта моделей бизнес-процессов обмена данными в этой системе представлены на рис. 3, 4. На рис. 3 представлен процесс синхронизации карт на уровне слоев. ОАО «Водоканал» в данном случае является поставщиком набора слоев, условно называемого «Водопроводная сеть», а УАиГ - владельцем набора слоев «Здания», который требуется всем другим участникам обменов. В свою очередь, «Здания» имеют атрибут «Адрес». Поскольку один «Адрес» может относиться к множеству объектов недвижимости и земельным участкам, его в ГИС часто представляют специальным объектом «Адресная метка». В городе Иванове ведение адресного реестра с привязкой адреса к объектам недвижимости ведет отдел адресного реестра МКУ МФЦ, используя для этого отдельную ГИС адресного реестра объектов недвижимости (ГИС АРОН). «Адрес» является атрибутом пространственного объекта «Адресная метка», через которую он пространственно связывается с «Зданиями» и в дальнейшем может использоваться как атрибут «Адрес» объекта «Здание». Модель процесса, представленная на рис. 4, показывает, как осуществляется синхронизация пространственных данных на уровне атрибута объекта «Адресная метка».

Оба процесса изначально были не связаны друг с другом. В процессе развития общей системы обменов был проведен их реинжиниринг с включением ИС обмена данными. Сравнительный анализ моделей рис. 3 и рис. 4 показывает, что задачи и структура этой системы в обоих случаях аналогичны.

Представленные модели в рамках разработанного подхода используются как типовые. Сам процесс подключения организаций требует разработки процедур создания обменных наборов данных владельцем и записи этих данных в базы данных и файлы пользователей.

Реализация ИС обмена данными. Задача ИС обмена данными состоит в централизованном управлении процессами обмена. Функции по поддержанию такой системы могут быть возложены на одного из участников процессов или на отдельную организацию. В Иванове эти функции осуществляет Управление информационных ресурсов (УИР) администрации города, которое обеспечивает поддержку информационной сети администрации города.

Подход подразумевает наличие надежных защищенных каналов связи между узлами-участниками обмена. Используя ИС обмена данными, можно уменьшить затраты на каналы связи, сократив их количество.

Для управления работой ИС обменов данными выделено несколько ролей: администратор (УИР), оператор (в настоящее время - ИГЭУ), поставщик данных, потребитель данных. При регистрации в ИС поставщик данных должен указать наборы объектов, которые он предоставляет для потребителей. Оператор системы имеет право утвердить или отказать в регистрации набора объектов по различным причинам: неизвестный формат данных; поставщик не является владельцем поставляемых данных и т.п.

Потребитель данных в ИС после регистрации может ознакомиться с реестром наборов объектов и указать те из них, которые он хочет получить. Если формат поставляемых данных не поддерживается потребителем, то оператор может взять на себя ответственность за конвертацию данных.

Рис. 3. Пример модели бизнес-процесса обмена пространственными данными на уровне слоев объектов

Рис. 4. Пример модели бизнес-процесса обмена пространственными данными на уровне атрибутов объектов

Основными функциями администратора ИС являются ее поддержание в работоспособном состоянии, а также отслеживание корректности работы всех процессов - обменов и конвертаций - с ведением истории транзакций. В качестве основных показателей для протоколирования обращений выделены: номер обращения; время обращения; имя потребителя; наименование набора данных; объем запрашиваемых и переданных данных (количество объектов различных классов).

Для отображения перечня наборов данных могут использоваться как десктоп, так и веб-приложения. Использование вторых предпочтительнее ввиду их кроссплатформенности и удобства управления. В реализованной ИС в городе Иванове в настоящее время используется планировщик заданий Windows и скрипты, описанные в bat-файлах.

Хранение внутренней служебной информации в ИС может осуществляться как с использованием СУБД, так и без нее. Организации, участвующие в процессе обмена, описывают следующими атрибутами:

- название организации;

- юридический адрес;

- фактический адрес;

- телефон;

- ответственный за процедуры обмена;

- оператор, ответственный за регистрацию организации в ИС.

Структура описания наборов обменных данных включает:

- наименование поставщика данных;

- наименование набора данных;

- формат данных;

- способ получения (сервис/скрипт);

- класс объектов;

- общее количество объектов.

Регламент выполнения процедур обмена устанавливается администратором и утверждается оператором ИС. Каждая процедура обмена протоколируется и описывается следующими параметрами:

- наименование процедуры обмена;

- наименование набора данных;

- поставщик данных;

- потребитель данных;

- используемое по/скрипты;

- время начала процедуры;

- время окончания процедуры;

- формат данных поставщика;

- формат данных потребителя;

- количество переданных объектов;

- сообщения об ошибках.

Сами процедуры разрабатываются программистами и представляют собой SQL-запросы и/или специальные программные приложения. Запуск процедур осуществляется в автоматическом режиме с использованием встроенных в операционные системы планировщиков заданий. Также могут быть использованы другие варианты запуска (ручное выполнение, сторонние планировщики задач).

Обработка результатов выполнения процедур обмена также возможна различными способами. В городе Иванове реализовано протоколирование на уровне файлов. Пример лог-файла приведен на рис. 5.

Рис. 5. Фрагмент файла протокола обмена

Разработанный подход обобщает опыт реализации нескольких проектов по интеграции различных ГИС в городе Иванове. В результате его разработки созданы и опробованы модели процессов обмена данными при ведении единой карты инженерных коммуникаций города. Подход позволил повысить эффективность новых проектов по интеграции ГИС в городе Иванове. В дальнейшем подход планируется применять в рамках проектов по развитию ИСОГД в городе Иванове. Он также может быть применен в других городах, где сложились аналогичные условия использования ГИС в сфере инженерных коммуникаций.

Список литературы

1. Ставицкий А.М. А вместо ГИСа - пламенный мотор… // CADmaster. - 2008. - № 1(41) [http://www.cadmaster.ru/assets/files/articles/cm_41_cs_gis_engine.pdf]

2. Дышленко С.Г. Построение корпоративных ГИС на основе банка пространственных данных // Геопрофи. - 2010. - № 1 [http://www.gisinfo.ru/item/75.htm]

3. Шпильман А.В., Погорельцева И.Ю., Улазова Е.В. Опыт создания муниципального геоинформационного ресурса для мониторинга жилищно-коммунального хозяйства города Тюмени // ArcReview. - 2012. - № 3(62) [http://www.esricis.ru/news/arcreview/ detail.php?ID=7813&SECTION_ID=252]

4. Павлов С.В., Павлов А.С., Самойлов А.С. Обработка пространственной информации в распределенной ГИС ресурсораспределительной организации промышленного региона // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. - 2013. - Т. 17, № 5(58). - С. 122-128.

5. Журавлёв А.В., Маркин А.Н., Маркин С.Н. Концепция муниципальной ГИС с использованием сервис-ориентированной архитектуры // Алгоритмы, методы и системы обработки данных. - 2005. - № 10. - С. 106-109.

6. Косяков С.В., Гадалов А.Б., Огородников А.В. Интеграция муниципальных информационных ресурсов с использованием Интернет-технологий // Вестник ИГЭУ. - 2007. - № 3. - С. 69-75.

7. Косяков С.В. Разработка проекта муниципальной информационной системы города Иванова // Вестник ИГЭУ. - 2008. - № 4. - С. 46-52.

8. ДеМерс М.Н. Географические информационные системы. Основы: пер. с англ. ? М.: Дата+, 1999. ? 440 с.

9. Косяков С.В., Данилин И.А. Разработка специализированных приложений ГИС и САПР на основе инструментального программного комплекса Scale Objects // Информационные технологии. - 2003. - № 8. - С. 45-52.

10. Демиденко А.Г. Тенденции развития ГИС на примере продуктов КБ «Панорама» // Геоматика. - 2010. - № 3.

References

1. Stavitskiy, A.M. A vmesto GISa - plamennyy motor… [A flaming motor instead of GIS]. CADmaster, 2008, no. 1(41). Available at: http://www.cadmaster.ru/assets/files/articles/ cm_41_cs_gis_engine.pdf

2. Dyshlenko, S.G. Postroenie korporativnykh GIS na osnove banka prostranstvennykh dannykh [Corporate GIS plotting based on spatial data bank]. Geoprofi, 2010, no. 1. Available at: http://www.gisinfo.ru/item/75.htm

3. Shpil'man, A.V., Pogorel'tseva, I.Yu., Ulazova, E.V. Opyt sozdaniya munitsipal'nogo geoinformatsionnogo resursa dlya monitoringa zhilishchno-kommunal'nogo khozyaystva goroda Tyumeni [Development of a municipal geoinformation resource for monitoring the housing and utilities infrastructure of Tyumen city]. ArcReview, 2012, no. 3(62). Available at: http://www.esricis.ru/news/arcreview/detail.php?ID=7813&SECTION_ID=252

4. Pavlov, S.V., Pavlov, A.S., Samoylov, A.S. Obrabotka prostranstvennoy informatsii v raspredelennoy GIS resursoraspredelitel'noy organizatsii promyshlennogo regiona [Processing of spatial information in a distributed GIS of a resource allocation company of an industrial region]. Vestnik Ufimskogo gosudarstvennogo aviatsionnogo tekhnicheskogo universiteta, 2013, t. 17, no. 5(58), pp. 122-128.

5. Zhuravlev, A.V., Markin, A.N., Markin, S.N. Kontseptsiya munitsipal'noy GIS s ispol'zovaniem servis-orientirovannoy arkhitektury [Municipal GIS concept based on service-oriented architecture]. Algoritmy, metody i sistemy obrabotki dannykh, 2005, no. 10, pp. 106-109.

6. Kosyakov, S.V., Gadalov, A.B., Ogorodnikov, A.V. Integratsiya munitsipal'nykh informatsionnykh resursov s ispol'zovaniem Internet-tekhnologiy [Integration of municipal information resources based on Internet technologies]. Vestnik IGEU, 2007, issue 3, pp. 69-75.

7. Kosyakov, S.V. Razrabotka proekta munitsipal'noy informatsionnoy sistemy goroda Ivanova [Development of a project of Ivanovo city municipal information system]. Vestnik IGEU, 2008, issue 4, pp. 46-52.

8. DeMers, M.N. Geograficheskie informatsionnye sistemy. Osnovy [Geographic information systems. Fundamentals: translated from English]. Moscow, Data+, 1999. 440 p.

9. Kosyakov, S.V., Danilin, I.A. Razrabotka spetsializirovannykh prilozheniy GIS i SAPR na osnove instrumental'nogo programmnogo kompleksa Scale Objects [Development of specialized GIS and CAD applications based on the complex of programming tools Scale Objects]. Informatsionnye tekhnologii, 2003, no. 8, pp. 45-52.

10. Demidenko, A.G. Tendentsii razvitiya GIS na primere produktov KB «Panorama» [GIS development trends by the example of KB “Panorama” products]. Geomatika, 2010, no. 3.

Размещено на Allbest.ru