CC BY
30
энтропии. М.: Мир, 1988. 350 с. 3. Системный анализ и проблемы развития городов // Ю. С. Попков, М. В. Посохин, А. Е. Гутнов и др. М.: Наука, 1983. 512 с. 4.ХакенГ. Информация и самоорганизация: макроскопический подход к сложным системам. М.: Мир, 1991. 240 с. 5. ФедуломА. А., ФедуломЮ. Г., Цыгичко В. Н.. Введение в теорию статистически ненадежных решений. М.: Статистика, 1979. 278 с. 6. Бондаренко М. Ф., Шабанов-КушнаренкоЮ. П. О бионике интеллекта //Бионика интеллекта. Харьков: ХНУРЭ, 2004. №1(61). С. 3 - 14. 7. Черныш В. И. Введение в экологическую кибернетику. М.: Наука, 1990. 568 с.
Поступила в редколлегию 21.03.2006 Козуля Татьяна Владимировна, канд. геогр. наук, доцент кафедры НТУ «ХПИ». Научные интересы: система экологического мониторинга, оптимизация и процесы управления в экологии, математическое моделирование в системе экологического мониторинга. Адрес: Украина, 61002, Харьков, ул. Фрунзе, 12, тел. 707-60-42.
УДК 004.01
Я.П. К1СЬ, Н.Б. ШАХОВСЬКА, О.Б.ВАЛЬЧУК
ШТЕЛЕКТУАЛЬШ ГЕО1НФОРМАЦШШ СИСТЕМИ. М1ЖНАРОДНИЙ ДОСВ1Д ТА ШЛЯХИ РОЗВИТКУ В УКРА1Н1
Описуеться юторш, мiжнародний досввд та сучасний стан штелектуальних геошфор-мацшних систем. Пропонуеться модель системи та наводиться низка вимог щодо Н функцюнування.
Вступ
Географ1чна шформащя завжди була важливим елементом життя суспшьства 1 ключо-вим засобом шзнання довкшля. Дослщження археолопв показують, що географ!чш карти з'явилися значно рашше писемность Це не випадково, оскшьки як ми, так { об'екти навколо нас знаходимося у визначених точках простору, причому для ршення бшьшосп практичних задач наше географ1чне положення виявляеться важливим { впливае на кшцевий результат.
Геошформацшна система (Г1С) - сучасна комп'ютерна технолопя, що дозволяе поедна-ти модельне зображення територп (електронне вщображення карт, схем, аерозображень земно! поверхш) з шформащею табличного типу (р!зномаштш статистичш даш, списки, економ!чш показники тощо). 1нтелектуальна Г1С - система управлшня просторовими дани-ми та асоцшованих з ними атрибупв; це комп'ютерна система, що забезпечуе можливють використання, збереження, редагування, вщображення та анал1зу географ1чних даних.
Для опису реальних об'екпв у програмному середовищ! Г1С використовуеться модель просторових даних, тобто спошб цифрового опису просторових об'екпв, що включае вщо-мост про !хне розмщення { властивосп, просторов! та непросторов! атрибути. Найчаспше на практищ застосовуеться пошарова модель даних. Сутшсть пошарово! модел! просторових даних полягае в тому, що реальний св1т моделюеться структурою, що складаеться з декшькох шар1в. Кожен шар е сукупшстю однорщних об'екпв реального свггу, що знахо-дяться в межах задано! територп. Для точного вщображення об'екпв у простор! вводиться едина для вшх шар!в система координат.
Гео!нформац!йн! системи ефективно застосовуються в усьому свт органами державного управлшня, приватними ф!рмами й окремими громадянами для ршення р!зноман!тних задач. Планування ! розвиток територ!й - найважлив!ша задача оргашв державного управ-л!ння р!зних р!вн!в. На баз! Г1С можна рац!онально спланувати розм!щення об'ект!в (промис-лових п!дприемств, шляхово-транспортно! мереж!, магазишв, к!нотеатр!в, парк!в тощо) [1]. Для виршення ще! проблеми необх!дно забезпечити виконання суперечливих вимог. З одного боку, потр!бно будувати нов! та розвивати стар! об'екти промисловост!, щоб забезпечити достатню кшьюсть робочих мюць у рег!он!, покращувати транспортну шфраструкту-ру територ!й, п!клуватися про стабшьне поповнення бюджету за рахунок здач! в оренду об'ект!в нерухомосп. 1нтелектуальн! Г1С дозволяють штегрувати всю необхщну для цього шформащю, виконати анал!з ! моделювання р!зних ситуацш на територп, а також наочно вщобразити результати цього анал!зу.
У статп пропонуються загальна модель штелектуально! Г1С та ряд вимог щодо !! функц!онування.
Iсторiя розвитку Г1С
Геоiнформацiйнi системи - явище вiдносно нове, хоча попередниками подiбних систем були географiя та картографiя, що з'явилися сотнi роюв назад. Першi географiчнi шфор-мащйш системи розробленi в 50-60-х роках, спочатку в цившьному секторi. У 70-80-х роках розвинулася сильна i активна ГIС-iндустрiя з явним лщерством США.
Бюро перепису США - одна з оргашзацш, що з^рали ключову роль в розвитку геошфор-мацiйних систем - в кшщ 60-х рокiв у цiй оргашзаци було розроблено формат GBF-DIME (Geographic Base File, Dual Independent Map Encoding). У цьому форматi вперше була реалiзована схема визначення просторових вщносин мiж об'ектами, названа тополопею, яка описуе, як лiнiйнi об'екти на карп сполучеш мiж собою, яю площадковi об'екти межу-ють один з одним, а яю об'екти складаються з сумiжних елеменпв. Вперше були пронуме-рованi вузловi точки, привласненi iдентифiкатори площам по рiзнi сторони лiнiй. Це стало революцшним нововведенням. Формат GBF-DIME шзшше трансформувався в TIGER.
Iсторiя GBF-DIME почалася в лютому 1967 р., коли Бюро перепису США зайнялося експериментами по комп'ютерному картографуванню [3]. Програмюти Бюро боролися з неефектившстю i надмiрнiстю при конвертацп надрукованих на паперi карт в карти цифров^ Проблема була в тому, що в т часи кожен перетин вулиць (у мютах США часто зустр> чаеться гратчаста система, коли вулищ утворюють сiтку) вводився рiвно вiсiм разiв. Проблема була подолана завдяки принципам картографiчно! топологи, запропоновано! математиком Бюро Джеймсом Корбеттом (James Corbett).
Таким чином, була вщкрита схема кодування, вщома пiзнiше як DIME (Dual Independent Map Encoding). Основна щея полягала в тому, щоб перенумерувати вузли (в даному випадку - перетини вулиць) i площi (квартали). Л™м 1967 р. нововведення показали свою ефектившсть на практищ - вони рiзко пiдвищили ефективнiсть оцифрування i виявлення помилок i стали основою для картографування результатiв перепису.
Протягом 70-х роюв карти у формат GBF-DIME були створенi для всiх мiст США. Ця технологiя також використовуеться в сучасних геоiнформацiйних системах.
Нерегулярна мережа ^ангуляци представляе рельеф деяко! територи у виглядi набору прилеглих один до одного трикутниюв. Ця технологiя була одночасно вщкрита декшькома дослiдниками в рiзних частинах св^у. Один з них - Томас Пьюкер (Thomas Peucker). Цифровi моделi рельефу у виглядi нерегулярно! мереж трiангуляцil будувалися в Simon Fraser University (Канада), що виконував замовлення вiддiлу вiйськово-морських дослщ-жень (US Defense Department). Основне завдання проекту - виршення проблеми зб^у реального гiпсометричного профiлю деяко! територи (тобто профiлю висот) з моделлю, закладеною в комп'ютер. 1ншими словами, це було вшськове завдання точного наведення ракет на цшь.
О^м названих, вiдомi такi вiдкривачi нерегулярно! мережi трiангуляцi!: консультацiйна фiрма з Огайо W.E. Gates and Associates, геолог Крютофер Голд i Ушверситет провшци Альберта (Канада).
Компанiя ESRI (www.esri.com) була заснована в 1969 р. Джеком i Лаурою Данжермонд (Jack i Laura Dangermond) як консультативна група. У 70-х роках ESRI фокусувалася на розвитку фундаментальних iдей Г1С i !х застосуваннi в реальних проектах. Таких, наприк-лад, як розробка плану перебудови Баллмора або допомога компани Mobil Oil у виборi дiлянки в мiстi Рестоне. Перший комерцшний продукт ESRI - ArcInfo - вийшов у 1981 р. У тому ж рощ була проведена перша призначена для користувача конференщя ESRI, на яку зiбралося 18 чоловш. У мiру появи нових операцiйних систем i нового апаратного забезпе-чення ArcInfo оперативно переходила на новi платформи.
Компашя Intergraph була заснована в 1969 р. i спочатку займалася консалтингом. Компашя консультувала державнi установи у використанш цифрових комп'ютерних техно-логiй. Для задоволення запитiв сво!х перших клiентiв компанiя запропонувала технологи, яю пiзнiше були використанi в графiчних системах - цей тдхщ знайшов вiддзеркалення в назвi компани, складенш iз слiв Interactive i Graphics. Перша комерцшна система для картографу-вання - Interactive Graphics Design System.
В цiлому досягнення США е набагато бшьш^ нiж досягнення Свропи. Проте Свропа також внесла вагомий внесок до процесу розвитку Г1С. Ситуацiя з комп'ютерним картогра-
фуванням в Сврош мала певш вщмшносп, завдяки яким Свропа в процес розробки Г1С йшла cboïm шляхом.
Pi4 у тому, що практично кожна з европейських KpaÏH мае власне нащональне картогра-фiчне агентство. Таким чином, близько 30 оргашзацш проводять в Gвропi карти масштабу 1:25 000 i вище, тодi як в США таких оргашзацш всього двi - цивiльна US Geological Survey i вiйськова Defense Mapping Agency. Крiм того, нащональш картографiчнi агентства европейських краш мали бiльше обов'язкiв i займалися i кадастрами, i земельними шформацш-ними системами - тобто робили ту частину роботи, яку в США проводили ушверситети або приватт кампанл.
Деякi з европейських агентств почали експерименти з комп'ютеризованими базами даних кадастру (наприклад, в Швецп i Австрiï) дуже рано. Досить устшно освоювали новi технологiï Ordnance Survey в Англiï, IGN у Францп i нацiональне картографiчне агентство Шмеччини [1].
Цiкавим прикладом реалiзацiï вiтчизняноï Г1С е киïвський проект "екоГ1С-КИШ" [2], який почав створюватися з кiнця 1996 року. "екоГ1С-КШВ" створений на базi пакету ArcView GIS та пакету розрахунку забруднення приземного шару атмосфери "ЕОЛ 2000" украïнськоï компанiï "Софт Фонд". Наповнення БД вщбуваеться пакетним вводом Импортом) з iнших програмних пакеив. Цiлiснiсть БД пiдтримуеться спецiальними довщковими словниками. За допомогою цiеï Г1С користувач може вирiшувати цiлий комплекс анал^ич-них задач. Таким чином, "екоГ1С-КИШ" е не просто системою збору мошторингових дослiджень, а й системою тдтримки рiшень, тобто повнощнною iнтелектуальною Г1С.
Постановка задачi
На даний час нема стандартизованоï iнтелектуальноï Г1С, яка б враховувала вс потреби користувача. Це зумовлено тим, що до цих тр не розроблена едина система протоколiв та форма^в обмiну даними мiж Г1С. Iнформацiя, що накопичуеться, дуже часто не може бути порiвняною, е рiзнорiдною та розмежованою; в деяких регiонах використовуються несерти-фiкованi програмш засоби, багато iнформацiï дублюеться.
1снуе ряд компанiй (Yahoo, Microsoft, Google), як розробляють власнi системи для виршення найбiльш поширених задач: пошук мiсцевостi, пошук будiвлi, обчислення та вщображення шляху мiж двома точками на карт^ надання фотографiчноï та iсторичноï довiдки про обрану мюцевють та iн [4]. Об'ектами дослщження цих компанiй е США та Великобриташя.
В Украïнi iснуе низка виробниюв Г1С, всi вiтчизнянi системи базуються на iснуючих, переважно на ArcView або MapInfo. Об'ектами дослщження цих систем е мюта з великою площею та кiлькiстю населення (Киïв, Днiпропетровськ, Одеса, Львiв), проте немае Г1С, яка б охоплювала цiлу краïну. Така система повинна грунтуватися на принципах, методах та засобах штучного штелекту, якi застосовуються в галузi геоiнформатики.
В загальному, така система розрахована на користувачiв рiзного роду зайнятостi, для громадян Украïни, а також для турисив. Система повинна бути унiверсальною i не повинна залежати вщ конкретного виду дiяльностi, ïï доцiльно впроваджувати в заклади освiти, торгiвлi, туризму, заклади, що надають послуги та ш.
Головна вщмшшсть технологiй Г1С вiд технологiй сховищ даних, побудованих на основi реляцiйноï моделi, полягае у встановленш зв'язку мiж картографiчною iнформацiею та тематичними даними в формi реляцiйних баз даних. Це дозволяе в штерактивному режимi легко переходити вщ табличного подання даних до картографiчного i навпаки, або поедну-вати ïx. Тому можливють комбiнувати геометричнi та атрибутивнi даш визначае якiсно новий пiдхiд до аналiзу даних з метою прийняття на його основi обгрунтованого ршення.
Отже, Г1С опрацьовуе рiзнорiдну за структурою та формою подання вхщну шформащю: картографiчна, числова, текстова, графiчна тощо. Виникае необхiднiсть збереження великих чисел (протяжшсть кордонiв адмiнiстративноï одиницi, чисельнiсть населення, обсяг продукцп тощо); надзвичайно малих (величина викцщв небезпечних речовин, вмiст мше-ральних речовин у грунтi тощо); штервальних (температура повiтря); лiнгвiстичних оцiнок (яюсть) - оскiльки проектована система е людино-машинною, тому згенерованi рiшення повинш видаватися у термiнах, звичних для людини; неточних даних (замiри, виконаш у надзвичайних умовах).
Основний матерiал
1нтелектуальну Г1С державного значення необхiдно розробити таким чином, щоб вона була легка в користуванш, мала шту!тивно-зрозумший iнтерфейс i, звичайно, надавала коректт результати. Для виконання цих основних, загальних вимог потрiбно дотримуватись таких правил:
- збiр та обгрунтування даних повиннi бути ретельно проаналiзованi та перевiренi на коректшсть;
- iнтерфейс системи повинен мютити довiдкову iнформацiю щодо вах функцiй програми на кожному крощ li виконання (наявнiсть метаданих);
- програма не повинна мiстити надлишкових елементiв, функцiональнiсть яких важко зрозумни на перший погляд.
Отже, ставиться задача розробити структуру сховища даних для збер^ання розрiзнено! шформап про об'екти Г1С.
Структура системи повинна бути побудована таким чином, щоб вона могла бути легко модифiкована, а також доповнена новими алгоритмами для опрацювання нових даних.
Враховуючи специфiку, до проектування сховища даних Г1С висуваються такi вимоги:
- повиннi бути видшеш статичнi данi, що регулярно модифшуються;
- повиннi бути спрощеш вимоги до запитiв, з метою виключення запитiв, що могли б вимагати множинних запитiв SQL у традицшнпх реляцiйних СУБД;
- повинна бути забезпечена шдтримка складних запипв SQL, що вимагають послщовно! обробки велико! кшькосп записiв.
Вхiдними даними Г1С е база даних та параметри користувача до системи обробки запипв, причому за своею структурою запити е аналпичними, передбачають аналiз бага-тьох вимог та вибiрку iз множини вiдношень.
Вихiдними даними е результати запита. Доцшьшсть отриманого результату залежить вiд правильностi формування запитiв. Вихiднi данi повиннi бути зручно розмiщенi на екранi, даш, якi найбiльше вiдповiдають запитам - явно видшеш серед менш значущих даних. Необхiдно реалiзувати пiдтримку збереження отриманих даних та !х друк на принтера
Уведемо формальну модель сховища даних.
Реляцшною базою даних називають трiйку DB=<r,R,Z>, де r - множина вiдношень бази даних; R - множина !х схем; Z - множина обмежень цшюносп.
Тодi сховищем даних, побудованим на основi реляцiйноi моделi, назвемо тршку
DW=<DB, rf, Rf, func>, де DB - множина баз даних (або множина вщношень, !х схем та обмежень цшсносп, якi можна вважати окремою базою даних та яю мютять iнформацiю про певну множину предметно! област - наприклад, даш складського облшу); rf - вщношення, у якому збер> гаеться агрегована iнформацiя i по даних якого здшснюеться прийняття рiшень (вгдношен-ня фактгв); Rf - схема вщношення rf; func - множина процедур прийняття ршень.
Тодi новi данi (або рiшення) - це результат застосування функцш сховища даних над вщношенням фактiв: Design=func(rf, user_param), де user_param - параметри користувача (або вимоги), яю ставляться до ршення.
Оскiльки вiдношення rf мютить агреговану iнформацiю з вiдношень баз даних, то зв'язок мiж ним i вiдношеннями баз даних DB приводить до утворення так званого пперкуба даних (моделi багатовимiрного подання даних) [5].
Вим1ром назвемо ушверсум вщношень бази даних DB; - V;: Universum(DB;). Кожен вимiр включае напрямки консолiдацi! даних, що складаються iз серi! послщовних рiвнiв узагальнення (рiвнiв iерархi!).
Вгдношення м\ж вимграми - деяке вщношення, яке е зв'язком мiж вимiрами:
Vi,V2,...,Vn ^ Rel.
Наприклад, зв'язком мiж вимiрами Географ!чний об'ект та Адм!тстративна одини-ця е вщношення Структура територгально! одиницг. Оскшьки не мiж всiма об'ектами, що зберiгаються у вимiрах, можна встановити однозначне вщношення, то це призводить до виникнення невизначеностi у вiдношеннi вимiрiв, що i е характерним для Г1С.
У свою чергу, Rel можуть бути параметрами для шших вщношень мiж вимiрами, i тим самим створювати ieрархiю вимiрiв.
Осями багатовимiрноï системи координат служать 0CH0BHi атрибути анашзованого 6i3Hec-процесу. На перетинах вимiрiв (dimensions) знаходяться данi, що кшьюсно характеризують процес - вимiри (measures).
Формування вiдношення rf здiйснюeться на основi функцiï агрегування Agg [5] :
rf:Agg(Re lx ,...,Re ln).
Внаслiдок встановлення вiдношень мiж вимiрами та операцiй агрегування гiперкуб у переважнш бiльшостi випадкiв е сильно розрщженим, тому проблема опрацювання невизна-ченостi тут постае набагато сильшше, нiж у реляцiйних базах даних.
Розглянемо спрощену модель системи (рисунок). Система складаеться з таких елеменпв:
- пiдсистема для роботи з графiчними даними (1.1),
- шдсистема для роботи з текстовими даними (1.2),
- шдсистема надання довiдковоï iнформацiï (1.3).
Сховище даних подшене на двi частини: D1 - сховище просторових даних та D2 - база даних довщки. Сховище просторових даних може мютити кшька вщношень, проектування вiдношень та зв'язюв мiж ними е досить важливим завданням на етапi проектування системи.
Г1С
Пiдсистема для роботи з графiчними даними 1.1
Пiдсистема для роботи з текстовими даними 1.2
Пщсистема надання довщковоТ нформаци 1.3
Результат
Сховище просторови даних D1
.о
£
(О ф
Û-
База даних довiдки
__ D2 _
Основною вимогою до системи е правильна функцiональнiсть та простота отримання необхiдноï iнформацiï. Функщональнють програми залежить вiд ефективностi реашзацп алго-ритмiв. Легкiсть взаемодiï з програмою залежить вiд проектування штерфейсу користувача, тому вiн повинен вщповщати всiм сучасним вимогам, бажано використовувати обгортки для штерфейсу, а також реалiзувати здатнiсть налаштування пiд вимоги користувача.
Для захисту просторових даних застосовуються рiзнi методи, якi грунтуються на при-в'язцi до апаратного забезпечення, також використовуеться алгоритм шифрування даних з вiдкритим ключем (RSA). Отже, для захисту системи, запипв та результатiв вiд несанкщ-онованого доступу необхщно використати один з юнуючих методiв захисту iнформацiï.
Висновки
Подальший розвиток iнтелектуальних Г1С буде спрямований на самонавчання, само-вдосконалення, розширення баз даних, глобалiзацiю та штегращю, iнакше кажучи об'еднан-ня вшх Г1С у едину систему.
Наукова новизна. У статп розглянуто iсторiю та сучасний стан штелектуальних Г1С, запропоновано нову модель системи та наведено ряд вимог щодо ïï функцiонування, реал> зацiï та використання. Подано формальну модель сховища даних для побудови Г1С.
Практична цгншсть. Науковi результати, отримаш в данш статтi, дозволяють провади-ти подальше дослщження та реалiзацiю штелектуально!' Г1С.
Список лггератури: 1. БерлянтА.М., КошкаревА.В., ТикуновВ.С. Картография и геоинформатика.: ВИНИТИ, 1991. 2. ЧабанюкВ.С. Основш напрямки розвитку геошформацшних систем у 90-i роки // Вюник геодези та картографи. 1994. N° 2. С. 118-135. 3. John E. Harmon, Steven J. Anderson. The design and implementation of geographic information systems.: John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2003. 4. Вальчук О. Б. 1нтелектуальна Г1С м. Коломи!' // Вюник НУ '^bBiBCbra полггехшка". 2005. №62. 5. Кравець Р.Б. Оргашзащя багатовишрного подання та аналiзу шформацп у реляцiйнiй базi даних // Вiсник НУ '^bBiBCbra полiтехнiка". 2003. № 489.
НадШшла до редколегИ 17.03.2006
Kicb Ярослав Петрович, канд. техн. наук, доцент НУ '^bBiBCbra полггехшка", кафедра "1нформацшш системи та мережГ'. Науковi уподобання: методи системного та структурного анатзу, методи та засоби побудови автоматизованих систем, логiстика еколого-еконо-мiчних систем. Адреса: Украна, 79000, Львiв, вул. Ст. Бандери, 12, тел. 39-825-38. Шаховська Наталiя Богдашвна, астрантка НУ "Львшська полiтехнiка", кафедра "1нфор-мацiйнi системи та мереж1". Науковi уподобання: сховища даних, побудованих на основi релящйно! моделi, алгоритми видобування даних, моделювання невизначеностей. Адреса: Украна , 79000, Львш, вул. Ст. Бандери, 12, тел. 39-825-38.
Вальчук Олесь, астрант НУ "Львiвська полггехшка", кафедра "Iнформацiйнi системи та мереж1". Науковi уподобання: системи подання та обробки картографiчноl шформацп. Адреса: Украна , 79000, Львiв, вул. Ст. Бандери, 12, тел. 39-825-38.
УДК 004.415.2
В.М.ТЕСЛЮК
МЕТОДИ ПРОЕКТУВАННЯ М1КРОЕЛЕКТРОМЕХАН1ЧНИХ СИСТЕМ
Розглядаються особливосл проектування i структури мiкроелектромеханiчних систем (МЕМС) та пропонусться ввести алгоритмiчний аспект. Пропонуеться також використову-вати висх1дне, низхвдне та паралельне проектування МЕМС i методи проектування на кожному з iерархiчних рiвнiв.
Актуальм1сть
Двадцять перше стор1ччя характеризуеться швидкими темпами розвитку ново! м1ждис-циплшарно! обласп, яка об'еднуе в соб1 досягнення мехашки, мшроелектрошки, оптики, електротехшки та шших науково-практичних напрямюв i називаеться вона - мшроелектро-мехашчш системи (МЕМС) [1-7]. 1нтегральш пристро! даного типу мають ряд переваг у пор1внянт з1 стандартними пристроями: вони надшшш1, дешевш1, легш1, штегращя наукових областей носить сенергетичний характер, виготовляють !х за груповою технолопею та шш1. Нова науково-прикладна область обумовлюе адаптащю юнуючих шдход1в до проектування або розробку нових. Оскшьки дана робота присвячена саме виршенню цього питання, то вона е актуальною.
1. Особливост структур МЕМС
Базова структура МЕМС наведена на рис. 1. Вона визначае вхщний перетворювач, мшропроцесор та вихщний перетворювач.
Г МЕМС "I
ВХщний перетворювач Вихщний перетворювач
Рис. 1. Базова структура МЕМС
