CC BY
244
8 декабря 2011 r. 15:54
НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Геоинформационные системы для транспорта и коммуникаций
В статье дается кратки* обзор особенностей технологии гвоинформсядонных систем, позволяющих эффективно применять ути системы в компаниях и организациях транспортного И коммуникационного сектора. Рассмотрены возможности моделирования и анализа данных из широкого арсенала семейства программных продуктов ArcGIS компании ESR1, Inc., США
Андрианов В.Ю.,
ООО ДАТА*
Транспорт и коммуникации — области деятельности, которые объединяет общая цель
— связывать разлитые географические местоположения для перемещения между ними материальных сущностей и информации. В обоих случаях для достижения цели создается соответствующая инфраструктура.
Эффективная поддержка инфраструктуры, равно как ее строительство, развитие и мадер-низсндо, сегодня не мыслимы без использования информационных систем. Рассмотрим некоторые актуапыые воды таких систем
Виды информационных систем
Наименьшую необходомую поддержку инфраструктуры обеспечивают учетные системы, которые хранят пережми объектов с их описаниями, а также позволяют формировать справки и отчеты. Развитие функциональности этих систем привело к появлению отдельного класса информационных систем под названием ЕАМ (enterprise asset management). Совместно с системами ERP (enterprise resource planning) они также обеспечивают поддержку планирования ремонтно-эксплуатационных мероприятий. Эти системы позволяют эффективно управлять жизненным циклом компонентов инфраструктуры и ее экономикой, но не способны моделировать функциональные отношения компонентов,
которые важны для таких задач, как поиск отказов и маршрутизация, а также отношения с окружением, важные для прогнозирования спроса и развитие сети, определения уязвимостей и мероприятий защиты.
Наряду с этими видами систем, на транспорте и в коммуникациях в последнее время все иире используются географические информационные системы (ГИС). Это обусловлено тем, что объекты инфраструктуры, как правило, разбросаны по большой территории и/или сами имеют значительную протяженность И для их полноценного моделирования в донных нужны также и геометрические характеристики. Кроме того, геоинформационные системы оказываются очень полезны для реализации услуг, производимых инфраструктурой: поиск кратчайшего пути, транспортная логистика, планирование маршрутов пассажфсхого транспорта и др.
ГИС позволяют также учесть факторы окружающей среды. Ведь объекты и транспортной, и коммуникационной инфраструктуры существуют не в “вакууме", а в окружении /рутих объектов и явлений территорж, на которой они расположены; их длительная жизнь не может обойтись без взаимодействия с факторами окружающей среды, как природными, так и антропогенными. Часто эти факторы бывают неблагоприятны: разрушительные оползни, наводнения и ураганы, менее вредеая, но вездесущая растительность; деятельность других лиц — от изменений прав собственности и строительства создающих помехи объектов до незаконных действий вплоть до вандализма и краж. Учет, анализ и прогнозирование рисков от факторов окружающей среды практически невозможен простым ’*та6ли‘«ым" способом, здесь важен пространственный контекст: близость влияющих объектов, прохождение через опасные зоны, доступность для аварийных бригад и тд.
Интеграция информационных
технологий и сетевые службы
Произошедшая в последние годы тесная интеграция технологий реляционных баз данных и геоинформационных систем позволила
связать в одной системе функции и учета, и пространственно-временного анализа. Благодаря этому стало возможно не только уы-тыватъ внешние факторы, но и вообще всесторонне моделировать функционирование инфраструктуры, вплоть до управления ее объектами в режиме реального времени. Добавление возможностей сетевой публикации данных, функций и целых приложений вывело эту интегрированную технологию на качественно новый уровень, необходимый для создания корпоративных систем.
Корпоративный ГИС-центрический подход позволяет предоставить функции учета, анализа, планирования и управления всем заинтересованным лицам — от выдачи нарядов на работы выездным бригадам до представления сводеых данных, картограмм и сценариев высшему руководству. Естественно, речь не идет о том, чтобы все пользователи корпоративной ГИС работали с одним и тем же пользовательским интерфейсом и набором донных. Технология веб-служб, активно используемая в современном программном обеспечении, позволяет разбить любую прикладную задачу на множество небольших модулей, кажд ый из которых обеспечивается отдельной серверной службой.
Наиболее известной реализацией данной технологии является Google Maps. Собственный сервер (точнее, клостер серверов) компании обеспечивает две базовые службы
— отображение векторных карт (планы) и изображений аэрокосмических съемок. Поверх этих служб работают и другие — такие как позиционирование фотографий пользователей Рапогатю, нахождение маршрутов к точкам интереса, создание пользовательских карт и тд.
Однако такой готовьм сервис, естественно, не может обеспечить полную поддержку разнообразных потребностей транспортных и коммуникационных предприятий. Для этого им нужен собственный аналогичный сервис со своим набором вебслужб, работающих с базой данных предприятия, из которых можно строить автоматизированные рабочие места (АРМ) разных специалистов.
44
T-Comm, юонь 2010
Технология ArcGIS и базы геоданных
Семейство программных продуктов ArcGIS включает средства для создания структурированного хранилища пространственных данных (так называемой базы геоданных) и разнообразных веб-служб (ArcGIS Server), а также средства для подготовки данных, их анализа и использования (ArcGIS Desktop). ГИС на основе ArcGIS может масштабироваться от автономной ностольной системы до многопользовательской клиент-серверной системы предприятия, и далее — до создания массовых сервисов типа Google Maps, но с гораздо большей функциональностью. Поддерживаемая ArcGIS сервис-ориентированная архитектура (СОА) позволяет строить самые разные интерфейсы к одному серверному ядру, а также строить распределенные системы, включающие множество серверов и множество видов клиентов — настольных ГИС-лродуктов, обычных веб-браузеров и мобильных устройств.
Важнейшей особенностью ArcGIS, выделяющей это семейство на фоне других ГИС-пакетов, являются развитые средства моделирования в базе геоданных и пространственного анализа. Разработчик ArcGIS — американская компания ESRI, Inc. — является лидером геоинформационной отрасли как по объемам продаж, так и по инвестициям в развитие своей технологии. Благодаря этому программные продукты быстро развиваются, и пользователи получают в свое распоряжение всё более совершенный инструмент, в том числе и всё более широкие возможности моделирования данных. Отдельным направлением деятельности ESRI является совместная с бизнес-партнерами разработка прикладных моделей данных для разных отраслей, которые потом доступны всем пользователям Сейчас имеются уже десятки таких моделей, в том числе для разлтных видов транспорта, систем адресации, навигации и геокодирования, коммунальных сетей и телекоммуникаций. Эго направление не только помогает пользователям в адаптации технологии ArcGIS к своим потребностям но и способствует развитую технологии базы геоданных.
Средства моделирования
транспортно-коммуникационной
инфраструктуры
Транспортно-коммуникационная инфраструктура характеризуется рядом особенностей, которые необходимо учитывать при моделировании. Прежде всего, это соединение физического и логического (сетевого) представлений. Каждый компонент является одно-
временно и объектом на местности со своими физическими характеристиками, и функциональной единицей сети. Совмещение этих свойств реализуется в виде так называемой геометрической сети, каждый объект которой является одновременно и пространственным объектом на карте, и функциональным элементом грофа. Благодаря этому в одной базе геоданных совмещается картографическое и схематическое представления, между которыми можно переходить без каких-либо преобразований данных
Второй важный момент — линейные координаты Очень удобным способом идентификации любого местоположения на линейном объекте является указание его названия или номера и смещения от его начала, например "101-й километр Минского шоссе". Поскольку это такой же фундаментальный способ указания местоположений, как и географические координаты, его поддержка встроена в ядро ArcGIS — базу геоданных. Более того, реализована поддержка одновременно и геогрофических координат (например, получаемые с приемников GPS и ГЛОНАСС), и линейных (в виде пикетажа и километража). Причем и те и другие могут представляться в разных системах координат
— в WGS-84 и СК-42, в номинальном и фактическом километраже и тд. Такое разнообразие необходемо, чтобы каждый специалист мог работать с теми координатами, которые ему удобны или которые исторически используются на предприятии для разных задач.
Поддержка множественных систем линейных координат связана с третьим видом функциональности ArcGIS — с так называемой динамической сегментацией, позволяющей на основе базового описания сети строить множество наложенных описаний. Это
весьма ценно для пюбого вида услуг, реализуемых сетью. Для транспортной инфраструктуры это пассажирские и грузовые перевозки, почтовая связь, навигация — все из которых реализуются на одной и той же физической дорожной сети. Для коммуникационной инфраструктуры — голосовая связь, телерадиовещание, передача данных, маршрутизация, контроль топологии. Для моделирования сети и управления ею, динамическая сегментация дает возможности фиксации множества слоев событий, кок в смысле того, что происходит в реальном мире, так и в смысле точек изменения свойств линейных объектов сети или их окружения. Событиями первого рода могут быть ДТП, места обрыва проводов или ремонта кабелей, второго — смена вида покрытия дороги или количества полос на ней, переход с воздуимого на подземный участок линии связи и многое другое.
Четвертый важный момент — поддержка множественных версий данных. Это позволяет не только вести историю состояний сети, но и создавать сценарии различных вариантов развития с целью выбора наилучшего из них Благодаря этому проектировщик может произвести от текущей версии базы геоданных две дочерние и в каждой из них сделать какие-то изменения для анализа и сравнения результатов. Например, можно "построить" новый мост в одной версии, а в другой — "модернизировать" имеющиеся дороги.
В каждой версии можно будет рассчитать выигрыш в пропускной способности сети и стоимость работ исходя из геометрических характеристик. Наилучший вариант может быть определен как перспективное состояние сети, при этом исходная версия никуда не пропадает и продолжает описывать текущее состояние.
В*с I. Ключевые понятия иЫЕТРАЫБ — роароботоммой по заказу ЕБЯ! универсальной моде гм доимых для транспорта
T-Comm, июнь 2010
45
Аналитические функции
Моделирование транспортно-коммуникационной инфраструктуры позволяет не только автоматизировать текущее управление ею, но и решать задачи бизнес-анализа в интересах ее развития. Например, демографические пространственные данные позволяют находить новые области сбыта услуг и на этой основе строить план развития сети. Для этого в геоинформационных системах имеются средства комбинирования данных и анализа пространственных закономерностей и связей.
Картографическое наложение — один из "коньков" ГИС. Суть его в том, что совместив изображения двух карт (точнее, двух слоев) мы получаем новые знания о взаимодействии явлений, которые на них представлены. Например, сотовый оператор в результате совмещения своего покрытия и покрытия конкурента получает информацию о том, где его позиции сильнее, а где — уступают конкуренту. Если сюда же "подтянул." карты (слои) плотности населения, процента пользования сотовой связью и уровня доходов, то мы полу-*вім модель, докхцую научно обоснованный ответ на вопрос "где надо развивать нашу
сеть?". Подобным же образом можно решать задачу определения транспортной потребности и многие другие.
Другое направление анализа основано на измерении расстояний. АгсС15 поддерживает анализ на основе эвклидового, стоимостного и функционального расстояния. В первом случое понятие близости определяется известной формулой расстояния "по прямой", без учета препятствий или необходимости передвигаться по дорогам. Например, если в некоторой точке происходит мощный взрыв, радиус поражения определят область, в которой объекты инфраструктуры могут быть повреждены Задав радиус, оператор ГИС получит список объектов. Этот список может использоваться для определения поврежденных сегментов сети, отключенных клиентов, списка объектов для инспектирования и ремонта.
Стоимостной пространственный анализ строится на основе взвешенной суммы факторов, влияющих на стоимость передвижения (под которой может подразумеваться не только денежная сумма, но и такие параметры как время передвижения или длина маршрута). Задача обычно — найти оптимальный
2. Погъская телеком-компания ASTER испопыует объединенную учетную систему для поддержки гибридной (мед но-оптической) мупьтисервисмой (ТВ, ТФ, Интернет) сети с десятками ТЫСЯЧ подписчиков но каждый вид сервиса Учетная система была создана американской компанией Suntech — бизнес-партнером ESRI — на основе ArcGIS Server и Microsoft SQL Server, интегрированных с SAP и системой управления сетью. Она предоставляет интерфейсы отцепам учета оборудования, планирования сети (двум — по меди и оптже), обслуживания сети, мониторинга сети, обслуживания клиентов, — с картографическим, схематическим и топологическим представлениями База данных содержит сведения о примерно миллионе компонентов сети, вклочая их правило обслуживания, сроки эксплуатации и пути доступа. Системо позволяет увязывать развитие сервисов, поддержку сети и различные проекты компании по одному участку территории, тем самым экономя средства, повышая качество услуг и улучшая имидж компании
маршрут между точками А и Б с учетом различных факторов местности между ними: рельефа, заселенности, растительности, водных объектов и тд. Типичное применение — поиск маршрута для прокладки кабеля, воздушной линии или новой дороги на незаселенной или слабозаселенной местности. В условиях города используется стоимостной анализ на основе функционального расстояния.
Функциональное расстояние определятся поверх сетевой инфраструктуры. Типичный пример — улично-дорожная сеть (УДС) в городе, где транспорт не может двигаться сквозь кварталы, а только по улицам. Соответственно, здесь играет роль не расстояние по прямой, а длина кратчайшего маршрута по сети. На основе функционального расстояния, ГИС позволяет строить оптимальные маршруты по УДС с учетом ограничений проезда, разрешенных поворотов и скоростных режимов (оптимизировать "стоимость" проезда). А такой пакет как AicLogishcs решает более широкую, транспортную задачу, распределяя транспортные средства (ТС) для доставки грузов из множества пунктов отправки к множеству пунктов назначения. При этом минимизируется количество задействованных ТС, их общий пробег, причем с учетом временных "окон доставки" и других факторов
Представление графа связности сети в ГИС позволяет, например, находить причину прекращения связи у клиента посредством поиска неисправного маршрутизатора — так называемая трассировка "вверх". И наоборот — определять отключаемых клиентов при ремонтных работах на маршрутизаторе (трассировка "вниз"). Поскольку логическая связность сети абстрагирована от ее физических объектов-носителей, те же самые алгоритмы могут применяться к любым сетевым структурам. Например, трассировка "вниз" позволяет мгновенно определить путь распространения аварийного сброса загрязнений по речной сети, а трассировка "вверх" — возможный истома загрязнения, обнаруженного при анализе воды в каком-то месте реки. В ArcGIS Network Analyst имеется множество алгоритмов, применимых к любым видам сетей — электрическим, газовым, инженерным, дорожным, телекоммуникационным.
Таким образом, программное обеспечение ГИС позволяет провести глубокую автоматизацию бизнес-проц ессов транспортных и коммуникационных компаний и организаций. Средства моделирования данных позволяют детально описать объекты ^фраструк-туры, субъектов деятельности и происходящие между ними взаимодействия. А средства
46
T-Comm, юонь 2010
