CC BY
217
УДК 623.642
АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАРШРУТОВ ДВИЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Николай Николаевич Бардачевский
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат географических наук, доцент кафедры специальных устройств и технологий; Новосибирское высшее военное командное училище, 630117, Россия, г. Новосибирск, ул. Иванова, 49, доцент кафедры, тел. (383)361-07-31, (383)332-50-45, e-mail: [email protected]
Алексей Николаевич Ефимов
Военно-космическая академия им. Можайского, 197110, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Пионерская, 20, старший преподаватель кафедры топогеодезического обеспечения, тел. (981)680-91-30, e-mail: [email protected]
Гусейн Мамедович Мамедов
Новосибирское высшее военное командное училище, 630117, Россия, г. Новосибирск, ул. Иванова, 49, доцент кафедры, тел. (383)332-50-45, e-mail: [email protected]
Разработан алгоритм оптимизации выбора маршрута движения колонн транспортных средств с использованием геоинформационных систем двойного назначения.
Ключевые слова: геоинформационные системы, выбор маршрута, проходимость местности.
ALGORITHM FORTRAFFIC ROUTESUSING GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEMS
Nikolai N. Bardachevsky
Siberian State University of geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., assistant professor of special devices and technologies; Novosibirsk Higher Military Command School, 630117, Russia, Novosibirsk, 49 Ivanova St., associate professor, tel. (383)361-07-31, (383)332-50-45, e-mail: [email protected]
Alexey N. Efimov
Military Space Academy named Mozhaiskogo, 197110, Russia, St. Petersburg, 20 Pioneer St., a senior lecturer in survey support, tel. (981)680-91-30, e-mail: [email protected]
Huseyn M. Mamеdov
Novosibirsk Higher Military Command School, 630117, Russia, Novosibirsk, 49 Ivanova St., associate professor, tel. (383)332-50-45, e-mail: [email protected]
An algorithm foroptimizing the choice ofthe route of thecolumnsof vehiclesusing GISdual purpose.
Key words: geographic information systems, route selection, cross-countryterrain.
Боевые действия в наше время характеризуются размахом и динамичностью. В ходе выработки командиром решения на ведение боя особое внимание
уделяется изучению обстановки, которая может влиять на объём и содержание организационных и военно-технических мероприятий. Важнейшей составляющей оценки обстановки является оценка районов действий войск, которая включает в себя изучение данных о характере рельефа, защитных и маскирующих свойствах местности, состоянии путей маневра, подвоза, эвакуации и проходимости вне дорог, о наличии и характере инженерных заграждений.
Для информационной поддержки деятельности командиров по оценке обстановки используются ГИС. Их внедрение в практику управления войсками особенно важно в связи со значительным увеличением объёма и качественным изменением содержания мероприятий по управлению войсками, а также резким сокращением сроков их осуществления.
Однако активному внедрению ГИС в практику управления войсками препятствует несовершенство алгоритмов, применяемых для решения возникающих задач. Возникает противоречие между потребностью использования ГИС для информационной поддержки принятия решений по управления войсками и несовершенством методик обработки и представления геопространственной информации в среде ГИС.
В этом направлении работает целый ряд исследователей. Наибольший интерес представляют труды Г.Г. Азгальдова, Н.В. Арефьева, Б.М. Балина, В.В. Дмитриева, М.П. Долговой, Е.Г. Капралова, А.Г. Осипова, Г.К. Осипова, Т. Саати, В.С. Тикунова, Ричарда Беллмана, Лестера Форда.
Анализ работ [1-4], посвященных вопросам комплексной оценки местности с использованием геоинформационных систем и представлению ее результатов в виде электронных карт, позволил сформулировать общие принципы проводимого исследования, основными из которых являются: 1) принцип системности; 2) принцип единства геоинформационного обеспечения; 3) принцип комплексности; 4) принцип взаимосвязи; 5) принцип учета приоритетности факторов, участвующих в оценке; 6) принцип однородности; 7) принцип наглядности; 8) принцип единства оценки; 9) принцип сомасштабности.
На основе сформулированных принципов была разработана методика выбора маршрутов прокладки колонных путей в лесисто-болотистой местности с использованием геоинформационной системы военного назначения. Кратко рассмотрим ее основные блоки.
Первый блок. Включает в себя подготовительные работы. Они начинаются со сбора и изучения фондовых, литературно-справочных, статистических, аэрокосмических и картографических материалов, характеризующих физико-географические условия исследуемого региона. При специальном картографировании возникает важная и сложная проблема по отбору той информации, которая необходима и достаточна для решения поставленной задачи. Желательно, чтобы ее отбор производился не интуитивно, а являлся следствием расчета с применением объективных количественных критериев.
Второй блок. Для решения задачи по определению условий проходимости местности необходимо формализовать на уровне концептуального представления (независимо от технического и программного обеспечения) информацион-
ное содержание предметной области. Такое формализованное представление будем называть концептуальной моделью, которая обеспечивает наиболее эффективную связь между решаемой задачей и информацией необходимой для ее решения, а также возможность унификации методов ее обработки в средствах автоматизации. По своей сущности концептуальная модель отражает данные и связи между ними. Если совокупность данных характеризует объем обрабатываемой информации, то связи между ними - алгоритм решения задачи.
В основу формирования предметной области закладываются результаты анализа решаемой задачи с целью определения набора данных о местности, который требуется для оценки ее условий проходимости. Для этого осуществляется деление задачи на отдельные операции, для каждой из которых определяется необходимое информационное обеспечение.
Одним из итогов концептуального моделирования является графическое представление модели, которое дает возможность визуально исследовать не только вид и содержание модели, но и ее поведение в случае изменения внешних (изменение задачи, ввод дополнительных данных) и внутренних (изменение граничных условий) факторов. Поэтому графический язык описания концептуальной модели должен быть наглядным, простым и содержательным. Например, конструктивно концептуальную модель можно представить в виде схемы. Процесс получения обобщенной концептуальной модели сводится к разбивке предметной области на ряд локальных участков, получению локальных моделей и объединения их путем абстрагирования в обобщенную модель. Исходной информацией для концептуального моделирования служат результаты исследования предметной области, отражающие взаимосвязи между операциями и данными, которые используются при их решении.
Третий блок. Основным источником информации для оценки оперативно-тактических свойств местности предлагается использовать топографическую карту масштаба 1:50000. Тогда оптимизация информационного обеспечения будет заключаться в определении степени соответствия содержания карты информационному обеспечению оценки оперативно-тактических свойств местности по заданному критерию ив случае невыполнения данного условия использование информации из других источников, до достижения наивысшего значения по критерию оптимальности информационного обеспечения. Пусть известны т операций и п элементов местности, отображенных на карте, которые необходимы для их реализации. В процессе анализа образца карты с привлечением экспертов любому из элементов карты может быть дана оценка характеризующая в какой степени /-тый элемент по своей информативности (детальности) может удовлетворять реализации j-той операции. Тогда, пользуясь предлагаемыми формулами, можно получить три важных характеристики содержания карты, характеризующих ее соответствие требованиям информационного обеспечения оценки оперативно-тактических свойств местности:
степень удовлетворения любой из операций совокупности элементов содержания карты:
1 п
1Ъ2*
- степень удовлетворения совокупности операций любым из элементов содержания карты:
1 т 2,= 1 ^
т х (2)
- степень соответствия карты информационному обеспечению оценки оперативно-тактических свойств местности:
1 тп 1 т ли
2 = — =1^
тп 1 т 1 п 1 (3)
При этом карту можно считать полностью удовлетворяющей информационное обеспечение оценки оперативно-тактических свойств местности, если для каждого элемента содержания будет соблюдено условие:
2ч = ^ 0 (4)
где: 20 - некоторое заданное значение оценки элементов содержания карты (нижний предел ее соответствия требованиям информационного обеспечения).
Из условия (4) вытекает, что любая из оценок соответствия элементов содержания карты требованиям информационного обеспечения должна быть не ниже заданной величины 20. Идеальным является случай, когда 2у=2т1ах, т.е., когда любая из оценок получит максимально возможное значение, например, единица, при интервале оценок {0;1}. Однако такие случаи маловероятны, поскольку не все элементы содержания карты максимально информативны с точки зрения информационного обеспечения оценки оперативно-тактических свойств местности. Поэтому оптимизация информационного обеспечения будет заключаться в дополнении информации из других источников об отдельных элементах местности, отображенных на карте, которое позволило бы получить оценки удовлетворяющие условию (4) и максимально приближенные к значению 2тах,, т.е. соблюсти следующее требование:
^ тп
--г) = 1Ш1
тп , (5)
В наиболее общем виде предложенная модель может быть реализована в виде следующих операций:
1) составление программы испытаний и оценочных анкет, подготовка экспертов;
2) установление величины 20;
3) испытание и оценка карты: определение значений 2^ (экспертным методом), вычисление 2, 2)■ и 2;
4) проверка оценок по условию (4), принятие решения по оптимизации информационного обеспечения;
5) выявление наименьших значений определение слабых сторон информационного обеспечения; корректировка информационного обеспечения путем дополнения информации из других источников об отдельных элементах местности, отображенных на карте;
6) определение степени соответствия откорректированного информационного обеспечения условию (4).Показатели 2 и 2 позволяют выявить слабые стороны информационного обеспечения и определить порядок действий по его улучшению. Показатель 2, выражает степень оптимальности информационного обеспечения для оценки оперативно-тактических свойств местности.
Четвертый блок. Построение «дерева свойств». В основу построения «дерева свойств» закладываются следующие принципы:
деление в пределах каждой отдельной группы должно выполняться по единому признаку, т.е. по равному основанию;
• каждое комплексное свойство должно быть разделено на ближайшем вышестоящем уровне на такие свойства, число и характер которых соответствуют требованиям необходимости и достаточности;
• в пределах группы не могут одновременно находиться родовые и видовые свойства;
• количество уровней в дереве свойств должно быть таким, чтобы в каждой группе находилось минимальное количество свойств (в идеале два);
• разбиение свойств должно быть продолжено до тех пор, пока не будет, достигнут, самый высокий уровень, на котором находятся элементарные и квазиэлементарные свойства.
Пятый блок. Определение ненормированных и нормированных весовых коэффициентов. Определение ненормированных весовых коэффициентов для показателей, вошедших в «дерево свойств» предлагается осуществлять экспертным методом парных сравнений. Его выбор был обусловлен простотой проведения экспертизы и достоверными результатами экспертного анализа. При реализации данного метода экспертам предъявляется матрица с парами оцениваемых показателей, и предлагается в каждой паре выбрать более предпочтительное решение. Далее определяются компоненты собственного вектора матрицы. После чего рассчитываются ненормированные векторы приоритета.
Шестой блок. Определение эталонных значений показателей. Эталонные значения показателей, соответствуют, лучшим показателям, характеризующим оперативно-тактические свойства в пределах изучаемой территории. Для их определения используются фондовые, нормативные материалы, данные полевых обследований и аэрокосмическая информация.
Седьмой блок. Включает в себя создание электронных аналитических (факторных) карт, под которыми понимается графическое отображение пространственно-привязанной информации о проходимости оцениваемого компонента местности для боевой техники вне дорог. В основу оценки проходимости компонента местности заложены показатели, характеризующие анализируемый компонент
При этом, если показатель поддавался методам физических измерений, его абсолютное значение выражается в каких-либо физических единицах, а в противном случае в баллах, для определения которых используются методы моделирования и экспертного анализа. После этого, производится определение относительных значений показателей.
В зависимости от значения показателя, характеризующего проходимость компонента ландшафта боевой техникой, объекты факторной карты объединяются в три группы
1) проходимые;
2) ограничено-проходимые;
3) непроходимые.
После чего каждой выделенной группе присваивается балл, характеризующий степень ее проходимости для боевой техники вне дорог: для первой группы 10 баллов, для второй 5 баллов, а для третьей 2 балла.
В процессе создания синтетической карты должно быть создано несколько аналитических факторных карт характеризующих: проходимость рельефа по крутизне скатов и расчлененности, проходимость леса по расстоянию между деревьями и толщине стволов, проходимость грунтов по заболоченности и механическому составу.
Восьмой блок. Деление изучаемой территории средствами ГИС на расчетные участки. Деление территории на расчетные участки осуществляется путем суммирования аналитических факторных карт с использованием операции «топологический оверлей», в результате чего изучаемая территория делится на совокупность однородных элементарных ареалов, в пределах, которых каждый из анализируемых показателей имеет только одно значение. В качестве примера на рис. приведено деление территории на расчетные участки по пригодности рельефа и грунтов.
А-1 \ А-2
Б-1 у1* ""Б-2
Рис. Деление изучаемой территории средствами ГИС на расчетные участки
(Условные обозначения: 1, 2 - ареалы, имеющие различные значения пригодности рельефа; А, Б - ареалы, имеющие различные значения пригодности грунтов; А-1, А-2, Б-1, Б-2 - элементарные ареалы, однородные по значению пригодности рельефа и грунтов).
При его реализации осуществляется суммирование аналитических факторных карт в результате чего изучаемая территория делится на расчетные участки, представляющие собой однородные элементарные ареалы, в пределах, которых каждый из анализируемых показателей имеет только одно значение. Затем все показатели, характеризующие проходимость расчетного участка, суммируются и получают синтетический показатель проходимости.
Девятый блок. Определение степени проявления изучаемого оперативно -тактического свойства местности в пределах расчетного участка и создание синтетических оценочных карт. Для определения степени проявления изучаемого оперативно-тактического свойства местности в пределах расчетного участка все показатели его, характеризующие с учетом их важности (веса) суммируют и получают синтетический показатель.
Наиболее пригодным для ведения боевых действий по изучаемому оперативно-тактическому свойству местности является тот расчетный участок, у которого показатель имеет самое большое значение. Индекс «0» при показателе означает, что оценка дается применительно к самому низкому (нулевому) уровню в иерархии свойств. При этом соотношение оценок пригодности будет точно отражать действительность только в том случае, когда оценка расчетных участков производится по полному дереву свойств, без исключения из него свойств одинаковых в сравниваемых расчетных участках.
После получения для каждого расчетного участка синтетического показателя проявления, в его пределах изучаемого оперативно-тактического свойства расчетные участки группируют по степени их влияния на ведение боевых действий и на этой основе создают синтетические карты. При этом под синтетической картой понимается целостное пространственное отображение изучаемого явления путем интерпретации, соединения и обобщения наиболее существенных показателей, с учетом связей между ними.
Десятый блок. Дискретизация изображения синтетических карт оперативно-тактических свойств местности на расчетные участки для комплексной оценки их влияния на решение задач управления воинскими частями и подразделениями. В существующей системе управления войсками заложен основополагающий принцип, в соответствии с которым необходимо на каждом уровне управления учитывать информацию, характеризующую обстановку для частей и подразделений на две ступени вниз, кроме того обязательно учитывать регламентируемые боевыми уставами оперативно-тактические показатели. Очевидно, что чем выше уровень управления и больше площадь оценивания местности, тем меньше степень детализации оценки местности и больше степень её обобщения. Вместе с тем, в настоящее время необходимо в основу оценки, выполняемой на более высоком уровне управления закладывать детализацию, соответствующую более низкому уровню. Следовательно, возникает необходимость обоснования размеров расчетных участков не в общем виде, а конкретно для каждой из задач управления воинскими частями и подразделениями с учётом оперативно-тактических нормативов. В основу дискретизации изображения синтетических карт оперативно-тактических свойств местности целесообразно
закладывать прямоугольную матрицу, элементарная ячейка которой будет являться расчетным участком. Его размер может корректироваться в зависимости от оперативного построения войск и условий местности.
Одиннадцатый блок. Определение весовых коэффициентов влияния оперативно-тактических свойств местности на решение задач управления воинскими частями и подразделениями.
Деление территории на расчетные участки осуществляется путем суммирования матрицы с синтетическими картами оперативно-тактических свойств местности с использованием операции «топологический оверлей», в результате чего изучаемая территория делится на совокупность однородных элементарных ареалов, в пределах, которых изучаемому оперативно-тактическому свойству местности присваивается его средневзвешенное значение.
Двенадцатый блок. Прокладка в автоматизированном режиме в среде геоинформационной системы маршрутов колонных путей и создание соответствующих специальных карт.
Средневзвешенным показателям однородных элементарных интервалов присваивается значение обратное полученным на предыдущем этапе, т.е. наилучшая проходимость приравнивается единице, наихудшая десяти. Это делается для того чтобы сумма ребер движения по маршруту стремилась к минимуму. Задается начальная и конечная точки маршрута, при этом рассматривается девять вариантов положения начальной точки: в правом верхнем углу карты, в левом верхнем, правом нижнем, левом нижнем; на правой, левой, верхней и нижней границ карты и в центре карты.
Для нахождения минимального пути в нагруженном орграфе D из в i/¿ (¿! ^1) используется алгоритм Форда-Беллмана:
Шаг 1. Пусть мы уже составили таблицу величин A/k), i=l,2, ...n, k=0, 1,...,
n—1. ЕслиА^" да, то вершина Уц1 не достижима из и1 (предполагаем, что все величины l(.), xEX,, конечны). В этом случае работа алгоритма заканчивается.
Шаг 2. Пусть: (6)
Тогда число А.-™ ^выражает длину любого минимального пути из и1 в vil в нагруженном орграфе D. Определим минимальное число к^ >1 при котором выполняется равенство:
Ok)= 4Г1' (7)
По определению чисел А/^ получаем, что kl— минимальное число дуг в пути среди всех минимальных путей из и1в и^в нагруженном орграфе D.
Шаг 3. Последовательно определяем номера ¿2,.. ,¿ki+i такие, что
1) , _ l(fcl) /Q\
Í2 +CÍ2,Í1 (8)
2)+Cí3,Í2 (9)
Эти номера найдутся в силу(4.15); докажите что /2^1,..
С учетом того, что А/к) = Л.-™да, имеем
Сц,п< да,., «Л1+1, ¿м< да, ^к1+1+1(0) < да (11)
откуда, получаем:
("и> ^ц),.,( ™к1+1, и1к1)£Х, 1(и*2,уп)=саА1(шк1+1, и!к1)= (12)
ск1+1,йс1^к1+1 =0Дк1+1 =1, ^1+1=
Учитывая это, имеем:
Щг «и)= ^ (13)
т. е. ^¿1—искомый минимальный путь из и-! в Уц нагружен-
ном орграфе В. Заметим, что в этом пути ровно к1 дуг. Следовательно, мы определили путь с минимальным числом дуг среди всех минимальных путей из уг в уп нагруженном орграфе Б.
Геоинформационные и автоматизированные системы принятия решений есть большой шаг в развитии в сфере информационного обеспечения ВС РФ. Создание и использование синтетических карт оценки местности может стать неотъемлемой частью процесса оценки обстановки, однако для их создания необходимо провести большой комплекс по созданию баз данных, налаживанию процессов обработки и анализа данных, в них содержащихся, изменению системы защиты хранения и передачи информации, обучению личного состава. Всё это требует реформирование системы ТС ВС РФ в целом. Реформирование системы обороны страны и топогеодезического обеспечения в частности требует определения конкретно видимой перспективы в области развития геоинформационных систем военного назначения. В настоящий момент необходимо планировать геоинформационное обеспечение войск на шаг вперед относительно создания современных систем вооружения, чтобы к моменту реализации технологии, она не была уже заведомо отстающей.
В ходе выполнения исследования были получены следующие результаты:
1. Сформулированы принципы оценки местности с использованием геоинформационных систем. Основными, из которых являются: системность; единство геоинформационного обеспечения; комплексность; взаимосвязь; приоритетность факторов, участвующих в оценке; однородность; наглядность; единство оценки; сомасштабность.
2. Разработана структурно-логическая схема методики выбора маршрутов для прокладки колонных путей в среде ГИС, включающая в себя 12 блоков, реализующих как процедуру оценки проходимости местности, так и процедуру автоматизированного выбора маршрутов для прокладки колонных путей с учетом пригодности территории.
3. Сформирована концептуальная информационная модель оценки проходимости местности вне дорог и обосновано ее информационное обеспечение.
4. Выполнена апробация разработанной методики на территории расположенной на северо-востоке Ленинградской области. Результаты апробации доказали ее работоспособность и возможность реализации с использованием геоинформационной системы военного назначения «Интеграция».
5. Разработанные научно-методические основы могут быть использованы для решения широкого круга военно-прикладных задач с использованием геоинформационных систем военного назначения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Арефьев Н.В. Основы формирования природно-аграрных систем. Теория и практика / Н.В. Арефьев, В.П. Бреусов, Г.К. Осипов. - СПб.: Изд-во Политехи. ун-та, 2011. - 533 с.
2. Балин Б. М., Иванов В. И., Синицкий С. В. Применение многофакторного дисперсионного анализа при обосновании содержания специальных (тематических) карт // Геодезия и картография. - № 10. - 1988. - С. 30-36.
3. Карманов Д.В., Осипов А.Г. Метод автоматизированного формирования системы пространственно-распределенных трасс линейно-протяженных объектов на неосвоенных или малоосвоенных территориях с использованием геоинформационных технологий // Информация и космос № 4 - 2013 - С. 96-100.
4. Осипов А.Г. Многокритериальная оценка земельных ресурсов на основе квалимет-рического анализа // Региональная экология № 1-2 - СПб.: 2003 - С. 31-39.
© Н. Н. Бардачевский, А. Н. Ефимов, Г. М. Мамедов, 2015
