CC BY
75
/64 Civil SecurityTechnology, Vol. 8, 2011, No. 1 (27)
УДК 614.8
Современный подход к проектированию систем мониторинга для служб быстрого реагирования
М.Л. Гришин, Ю.В. Седельников
Аннотация
В статье предложен подход к построению систем мониторинга для служб быстрого реагирования командного типа. Приведены протоколы, методы и рекомендации, призванные помочь в проектировании надежной и эффективной системы, отвечающей самым современным требованиям, и способной исправно служить в любой точке земного шара.
Ключевые слова: передача данных, мониторинг, регистратор, данные о позиции, подсистема, телеметрический протокол, геоинформационная база, геопространство.
Modern Approach to Design of Monitoring Systems for First Responder Services
M. Grishin, Yu. Sedelnikov
Abstract
The article propose an approach to the design of monitoring systems for command-type first responder services. It presents protocols, methods and recommendations intended to be helpful in designing a reliable and efficient system that would meet the up-to-date requirements and would be able to operate properly anywhere in the world.
Key words: data transfer, monitoring, recorder, position data, subsystem, telemetric protocol, GIS database, geospace.
Существующие на сегодня системы мониторинга для служб быстрого реагирования командного типа принципиально ничем не отличаются от классических индивидуальных систем мониторинга, в основе которых, как правило, лежит использование систем глобального позиционирования, сотовой связи, терминала на базе ГИС-оболочки с локальными картами или мозаикой в проекции Меркатора [1], картографического и телеметрического серверов. Но в условиях чрезвычайных ситуаций (ЧС) классическая система мониторинга может оказаться неэффективной, поскольку не обеспечивает мониторинг в любой точке земного шара из-за частичного покрытия сотовых сетей; она не позволяет обнаружить местоположение членов команды в местах, где сигнал от навигационных спутников недоступен, и не предоставляет глобальный трехмерный мониторинг с функциями прогнозирования.
Для устранения указанных недостатков предлагается использовать двухкомпонентную систему мониторинга подвижных объектов (рис. 1). Первая компонента (глобальная) отвечает за мониторинг транспортных средств, а вторая (локальная) — за мониторинг членов команды в ходе чрезвычайных действий.
Передача данных в предложенной системе осуществляется через внешнюю и локальную (самоорганизующуюся) децентрализованную сети [2]. Внешняя сеть отвечает за потоки данных в глобальной компоненте системы и совместно с ГЛОНАСС/вР8 позволяет достаточно эффективно решать задачи мониторинга и координации автопарка спецмашин в реальном времени. В качестве внешней сети можно использовать спутниковые системы передачи данных или сотовую связь там, где обеспечивается покрытие. Децентрализованная сеть используется в локальной
компоненте системы для трансляции данных и телеметрии членов команды, в отличие от сотовой связи, которая может использоваться как резервный канал, обладает рядом следующих важных преимуществ в рассматриваемой области:
абсолютная независимость от состояния беспроводного покрытия района чрезвычайных действий;
значительно более надежная — ячеистая топология сети, здесь каждый регистратор (устройство сбора данных о позиции и прочей телеметрии наблюдаемого объекта) [3] может выполнять функции коммутатора, что позволяет обеспечивать связь в самых неблагоприятных условиях;
в разы меньшее электромагнитное излучение (ЭМИ), что очень важно, поскольку устройства локальной компоненты системы мониторинга размещаются непосредственно на членах команды, а влияние ЭМИ на организм человека в долгосрочной перспективе мало изучено;
отсутствие расходов на услугах связи; более низкое энергопотребление приемопередатчика и, следовательно, большее время автономной работы регистратора.
Определение позиции членов команды предлагается осуществлять целым набором средств, которые условно можно разделить на три класса: доверительные, относительные и ручные. К доверительным средствам относятся ГЛОНАСС/вР8 — приемники и ИРГО-считыватели [4], входящие в состав аппаратуры регистратора. ИРГО-метки могут эффективно использоваться для позиционирования внутри зданий, где сигналы систем глобального позиционирования недоступны или не дают необходимой точности. Установка меток может производиться заранее на опасных объектах или непосредственно в процессе чрезвычайных действий. Для определения позиции с помощью ИРГО-меток каждой из них задается в соответствие — широта, долгота и высота над уровнем моря. Когда член команды проходит мимо КРГО-метки, его регистратор передает номер метки на сервер, а тот обновляет позицию объекта согласно базе данных зарегистрированных меток. Средства относительного определения позиции потерянного объекта представляют собой сложное программное обеспечение, которое выполняет многомерный анализ на основании доверительного положения объектов,
Рис. 1. Система мониторинга
входящих в локальную сеть, уровней приема сигналов между регистраторами с учетом параметров среды, данных дополнительных датчиков и фактора времени с учетом динамики топологии сети, параметров объекта и среды чрезвычайных действий. В качестве источников дополнительных данных могут быть использованы ультразвуковые, инфракрасные и другие приемопередатчики, которые будут передавать специальные сигнатуры в ожидании отклика, по которому можно оценить расстояние (задержка для ультразвука или уровень сигнала отклика с учетом параметров среды) до объекта или хотя бы констатировать факт его обнаружения. Результатом анализа будет являться предполагаемый район местоположения потерянного объекта. Ручные средства обеспечивают пользователя возможностью самостоятельного обновления данных о позиции объекта на терминале или на карте регистратора, если он оснащен дисплеем и интерфейсом ввода.
С точки зрения проектирования, системы мониторинга можно разделить на два крупных составляющих — регистратор и прикладной программный комплекс.
Регистраторы являются своего рода фундаментом системы мониторинга. В рассматриваемой системе используется два типа регистраторов. Первый (портативный) тип отвечает за телеметрию членов команды, второй (транспортный) тип входит в состав сервер-терминала локальной диспетчеризации и отвечает за телеметрию транспортного средства и трансляцию телеметрии портативных регистраторов. Регистраторы независимо от типа и сферы применения можно свести к единой структуре (рис. 2), в которую входят пять основных элементов.
Рис. 2. Структура регистратора
1) Микроконтроллер, чей выбор определяется сложностью программы и набором необходимых для периферии интерфейсов с разного рода датчиками, счетчиками и различными устройствами, необходимыми для формирования телеметрии согласно специфике проектируемого регистратора. Например, датчик топлива в транспортных средствах, счетчик Гей -гера для мониторинга радиационной обстановки,
различные биометрические датчики для живых объектов, RFID-считыватели и другие источники телеметрии.
2) Модули определения глобальной позиции — это приемник сигналов систем ГЛОНАСС, GPS или какой-либо другой системы. Как правило, подобные модули поддерживают протокол вещания NMEA.
3) Беспроводные модемы используются для доступа к серверу телеметрии. Доступ может осуществляться посредством децентрализованных сетей (например, модулями стандарта IEEE 802.15.4), спутниковой и сотовой связи.
4) Энергонезависимая память служит для хранения настроек и записи телеметрии при отсутствии связи с сервером. Самым оптимальным на данный момент является использование флешь-памяти.
5) Порт отладки предназначен для отладки, диагностики, расширения функциональности и подключения регистратора в качестве периферийного устройства.
Систему обработки данных (рис. 3), реализуемую регистратором, можно разбить на пять основных подсистем.
Подсистема обработки данных о позиции обеспечивает преобразование потока данных о позиции во внутреннее представление. В качестве протокола входных данных рекомендуется использовать NMEA, так как данный протокол является общепринятым, и, в случае замены модуля на аналог другого производителя, изменения данной подсистемы не потребуются или будут минимальны. В ходе идентификации NMEA-сообщений выполняется проверка их контрольной суммы и типа, на основании чего принимается решение об их пригодности для дальнейшей обработки. Поскольку протокол NMEA поддерживает различные типы сообщений, то, как правило, требуется агрегировать выборку нескольких разных сообщений в одно внутреннее сообщение, соответствующее входному формату фильтра. Фильтрация данных о позиции [5] позволяет существенно уменьшить поток телеметрии за счет отсева данных, которые не дают принципиально новой информации о местоположении наблюдаемого объекта. На выходе фильтра можно формировать не только данные о текущей позиции, но и некоторые события, например, начало движения, потерю и обнаружение сигналов со спутников.
Подсистема отладки и расширений обеспечивает набор отладочных функций, поддержку обмена внешнего устройства с сервером, прием дополнительной внешней телеметрии для последующей передачи серверу, вещание данных формируемых регистрато-
ром внешнему устройству, например, данных о позиции бортовому компьютеру в транспортном средстве. Протокол отладки рекомендуется строить по принципу «запрос-ответ», где мастером будет внешнее устройства; такой подход позволит ограничить размер БШО-буфера для интерфейса отладки в регистраторе одним запросом и избежать жестких требований по частоте опроса буфера. Когда регистратор будет готов к серийному производству, большинство функций отладки можно заблокировать, оставив только те, которые необходимы для сервисной диагностики, обновления программного кода и настройки параметров функционирования.
Подсистема сбора и буферизации телеметрии отвечает за формирование записей телеметрии согласно принятому разработчиком формату с последующим помещением их в кольцевой буфер, а также осуществляет контроль переполнения буфера, решая, куда направить накопившуюся телеметрию — в подсистему долговременного хранения или приема-передачи данных. Кольцевой буфер необходим для компенсации нарушений связи с сервером и обеспечения блочной записи данных в хранилище.
Подсистема долговременного хранения предоставляет набор функций для работы с флешь-памятью и осуществляет контроль корректности данных. Поскольку флешь-память имеет ограниченное число циклов перезаписи, хранилище телеметрии реализуется в форме кольца, чтобы равномерно использовать каждый сектор и тем самым обеспечить максимальный срок службы устройства. Контроль целостности данных осуществляется за счет кодов коррекции ошибок. В случае переполнения хранилища самая старая телеметрия будет заменяться новой.
Подсистема приема-передачи данных обеспечивает ретрансляцию пакетов в рамках децентрализованной сети и организует транспортную прослойку между приемопередатчиками и телеметрическим протоколом, по-
средством которого данная подсистема ведет диалог с сервером.
Телеметрический протокол должен отвечать следующим требованиям:
1) поддержка сжатия основного потока телеметрии для повышения пропускной способности децентрализованной сети и экономии трафика;
2) расширяемость с сохранением совместимости версий протокола для снижения рисков при обновлении программного обеспечения системы мониторинга;
3) гибкость и удобство использования протокола с самой разной телеметрией.
Для удовлетворения указанным требованиям был разработан специальный телеметрический протокол, который основывается на ряде соглашений.
Рис. 3. Система обработки данных регистратора
Соглашение первое — о представлении целых чисел в виде префиксных кодов переменной длины специального формата. Данные коды будут упоминаться как семейство РР-кодов формата p x q, где p — префикс переменной длины, кодирующий номер интервала чисел; q — индекс в заданном интервале.
Номер интервала P определяется по формуле
P = 1 + ^ P¡,
где — элементы кода длиной по р бит. Если содержит значение 2р -1, это говорит о том, что впереди есть еще один элемент Р+ь здесь / может меняться от нуля до бесконечности.
Количество разрядов Q, отведенных под значение индекса заданного интервала вычисляется по формуле:
Q = р • q.
Максимальное значение индекса для заданного интервала вычисляется по формуле
р
V(Р) = £ 241 - Ь 1=1
при этом кодируемые в интервале числа будут ограничены значениями от V(P -1) + 1 до V(P).
Соглашение второе — о представлении композиций битовых полей. Под композицией подразумевается порядок следования битовых полей в объединенной последовательности битов. До начала использования композиций серверу необходимо сообщить об их структуре, описание которой имеет следующий синтаксис:
С1пёех{БНЕ1еМТуре}0,
где номер композиции С1пёех и множество типов битовых полей БИЕ1еМТуре (нулевой из которых — резервный и является терминальным символом) записываются согласно первому соглашению о целых числах. Нулевая композиция является особой; она описывает заголовок пакета, в котором обычно передается статусная информация регистратора. Таким образом, композиция битовых полей является самостоятельным составным типом информации в рамках протокола. Значение композиции записывается аналогично формату Рр за исключением того, что значение индекса не кодирует интервал, а содержит значения битовых полей вплоть до самого старшего ненулевого бита. Остаток из нулей отбрасывается при кодировании и дописывается при декодировании.
Соглашение третье — о сжатии телеметрии. Для преобразования телеметрии к виду оптимальному для дальнейшего кодирования в более компактное представление согласно первым двум соглашениям была разработана разновидность дельта-кода, которая обладает важным свойством — адаптивностью. Параметром адаптации является уровень разности: нулевой уровень говорит о том, что данные передаются как есть; первый уровень соответствует классическому дельта-коду, когда данные представляются в
форме разности между последовательными данными вместо самих данных; на втором уровне последовательность данных представляется в форме разности разностей, и так далее до бесконечности. Для композиций битовых полей вместо операции вычитания выполняется операция исключающего ИЛИ. Критерием изменения уровня для следующего шага служит факт того, что абсолютное значение разности текущего уровня больше абсолютного значения наименьшей из разностей соседних уровней. Обычно достаточно ограничиться вторым уровнем разности, который соответствует скорости изменения кодируемого значения. Чтобы в случае ошибок приема-передачи не потерять перекодированную информацию, каждый раз, как только начинается передача данных, нужно сохранять ключ, в который входят все разности ниже текущего уровня, необходимые для восстановления последовательности исходных данных с текущей позиции. Ключ будет использован только в случае потери связи с сервером, в остальных случаях он просто игнорируется.
В табл. 1 представлен формат основных записей, используемых в предлагаемом телеметрическом протоколе; всего предусмотрено двенадцать типов записей, остальные зарезервированы для будущих версий. Все поля в формате записей кодируются согласно первым двум соглашениям.
Первые шесть типов записи используют поле времени Time, которое предусматривает разностную форму в рамках пакета и сессии связи с сервером. Разностная форма времени кодируется отрицательным значением, а нормальная форма положительным числом в сотых долях секунды от начала 1970 года (начало эпохи UNIX). Тип EventType в событиях является натуральным числом, ноль используется в качестве теста связи (ping) или терминального символа. Записи со второй по восьмую служат для передачи телеметрии. Если тип телеметрии TeleType указывает в качестве элемента телеметрии Tele стандартный тип телеметрии (целое значение), то используется отрицательное значения идентификатора элемента телеметрии, например, широта, долгота, заряд батареи и прочее. Если же в качестве элемента Tele используется композиция битовых полей, то берется положительное значение индекса композиции CIndex. Протокол предусматривает возможное наличие в устройстве нескольких источников Src для однотипной телеметрии; стандартная телеметрия по умолчанию использует нулевой источник. Списки телеметрии, ключей и разностей отвечают за передачу разнообразной телеметрии в единой записи с возможностью компрессии согласно третьему соглашению; формат списка должен быть предварительно передан серверу. Поле флагов Flags информирует сервер о присутствии в списках элементов телеметрии Tele[]; данное поле кодируется по второму соглашению; логическая единица каждого битового флага, соответствующая i-му элементу (согласно формату списка),
Типы записей телеметрического протокола
/69
Таблица 1
№ п/п Тип записи Формат записи
1 События 1,Time,{EventType},0
2 Список телеметрии 2,Time,Flags,Tele[]
3 Список ключей 3,Time,Flags,Level,Tele[]
4 Список разностей 4,Time,Flags,Index,Tele[]
5 Формат списка телеметрии 5,{TeleType,Src},0
6 Элементы стандартной телеметрии 6,Time,{TeleType,Tele},0
7 Элементы телеметрии с указанием источника 7,Time,{TeleType,Src,Tele},0
8 Описание типа композиции битовых полей 8,CIndex{BitFieldType},0
9 Данные внешнего интерфейса 9,Count,Data[]
10 Данные отладки 10,Count,Data[]
11 Данные пользовательских расширений 11,Count,Data[]
12 Неисправный сектор из хранилища телеметрии 12,Count,Data[]
13 Сообщение об ошибке 13,{ErrorCode},0
14 Терминальная запись 0
говорит о том, что элемент Tele[i] присутствует в списке. Поле Index является инкрементируемой переменной с модулем 256 и служит для контроля правильности последовательности списков разностей, для гарантии целостности данных в каналах передачи данных без гарантии доставки пакетов. Поле Level информирует о том, какому уровню разности соответствуют ключи для декодирования разностной телеметрии. Предпоследние четыре типа записи не имеют отношения к телеметрии, но позволяют легко встроить в протокол дополнительные функции; для этого используется массив байт Data[], количество которых Count явно указывается.
Диалог с сервером осуществляется по принципу «запрос-ответ». Запросы со стороны регистратора отсылаются в форме пакетов, состоящих из множества записей согласно телеметрическому протоколу с обязательной терминальной записью в конце. При первом соединении после настройки регистратор должен проинформировать сервер о формате списка телеметрии и всех композиций битов. В процессе отправки пакет может быть зашифрован, при этом в начале предается незашифрованный идентификатор устройства, затем зашифрованные: пакет, секретное слово, дополняющая до кратности блоку шифра случайная информация и контрольная сумма. Ответом на подобный запрос со стороны сервера должно быть подтверждение о приеме данных в виде зашифрованного секретного слова, которое выбирается регистратором случайно для каждого пакета; таким образом можно избежать потери данных при попытке подмены сервера. Кроме того, со стороны сервера могут поступать дополнения к ответу и запросы в формате записей с девятой по одиннадцатую адресуемые внешнему интерфейсу регистрато-
ра, подсистеме отладки и пользовательским расширениям.
Все возможные ошибки, возникающие в процессе взаимодействия регистраторов с сервером относительно телеметрического протокола можно разделить на два класса:
1) Ошибки допротокольного уровня. Например, регистратор не опознан сервером или при дешифрации возникла ошибка; при этом сервер должен просто промолчать или проинформировать об ошибке без указания ее кода, который может быть использован злоумышленниками и должен храниться только на сервере в сообщениях об ошибках.
2) Ошибки протокольного уровня. Для данного класса ошибок предусмотрена запись номер тринадцать; коды ошибок со стороны регистратора ErrorCode могут информировать о различных неисправностях, а со стороны сервера, например, — о необходимости обновления информации о формате списка телеметрии, отсутствии ключа для разностного декодирования и прочих исключительных ситуациях.
Предложенный протокол не требует явного указания на размер пакета, не нуждается в контроле версий и легко встраивается как в бинарный, так и в текстовый транспортный слой (в виде записи формата ВаБе64). Первые два соглашения протокола позволяют использовать поля данных переменной длины с минимальными издержками и полностью избавляют от строгой разметки в теле пакетов. Третье соглашение позволяет эффективно минимизировать поток основной телеметрии регистратора.
Прикладной программный комплекс (рис. 4) рассматриваемой системы мониторинга с точки зрения аппаратного обеспечения можно разделить на
Рис. 4. Структура прикладного программного обеспечения
четыре взаимосвязанных составляющих: программное обеспечение (ПО) сервера и регистратора, приложения глобальной и локальной диспетчеризации. Составляющие программного комплекса имеют ряд общих элементов, поэтому проектирование ПО предлагается разделить на этапы, связанные с разработкой базовых программных компонент:
1) база данных мониторинга,
2) геоинформационная база данных,
3) оперативно-телеметрический архив,
4) система анализа геоданных и имитационного моделирования [6],
5) средства визуализации геопространства,
6) средства редактирования геоинформации,
7) средства формирования отчетов.
На заключительном этапе выполняется сборка всех составляющих программного комплекса из перечисленных компонент и разработка конечных пользовательских интерфейсов. Необходимо отметить, что средства мониторинга (рис. 4) помимо средств визуализации геопространства могут включать в себя элементы системы анализа геоданных и имитационного моделирования, которые могут понадобиться при отсутствии связи с сервером.
База данных мониторинга представляет собой набор таблиц (рис. 5), который можно разделить на три группы. Структура служебных таблиц зависит от специфики работы, организации и структуры служб, для которых проектируется система мониторинга. Для снижения нагрузки на сервер и уменьшения времени запросов в базе данных необходимо использовать раздельные таблицы для хранения основной телеметрии по каждому объекту, поскольку даже по
Служебные таблицы
Сведения о объектах наблюдения
Информация об оперативных действиях
Расписания, командный состав, маршруты и т.д.
Индивидуальные телеметрические таблицы объектов наблюдения
Данные о позиции
События
Прочая телеметрия
Рис. 5. Состав базы данных мониторинга
отдельно взятому объекту объем телеметрической информации может быть огромным (до нескольких гигабайт в год). Некоторые данные удобнее хранить в общих объектных таблицах, например, — последние данные о местоположении и состоянии объектов мониторинга; неисправные сектора с телеметрией из регистраторов для экспертизы (событие маловероятное), поэтому нет необходимости в индивидуальных таблицах; отчеты об ошибках и соединениях регистраторов с сервером и прочие записи, полезные администраторам системы.
Геоинформационная база — это коллекция графических примитивов и многомерный информационный массив (рис. 6), в котором хранятся разнородные данные с географической привязкой. Геоинформация может иметь до семи измерений. Первые три измерения являются пространственными координатами. Четвертым измерением является время, которое может использоваться для наблюдения в динамике за некоторыми процессами, например, рост городов, выгорание леса или озеленение. Остальные три измерения не связанны с физической действительностью и введены для удобства. Пятое измерение отвечает за хранение разных уровней детализации пространственных данных, необходимых для быстрого масштабирования при визуализации геопространства. Шестое измерение — это набор слоев; слои отвечают за разделение геоданных по их типу и форме представления. По форме представления пространственные данные можно условно разделить на растровые и векторные слои, которые несут в себе графическую и семантическую составляющие. Типы пространственных данных крайне разнообразны; это могут быть карты дорог и населенных пунктов, демографическая информация и экономические показатели территорий, карты растительности, высот и батиметрии, климатические сезонные карты и любая другая специализированная пространственная информация. Последнее седьмое измерение поддержива-
Общие телеметрические таблицы
Текущее состояние наблюдаемых объектов Неисправные сектора регистраторов_
Отчет об ошибках и соединениях
ет существование альтернативных версий или вариантов геоинформации; например, несколько альтернативных планов по ликвидации ЧС, варианты застройки территорий, несколько версий исторических событий, а также различные геоданные, разделение которых не вписывается в специфику остальных измерений.
Рис. 6. Организация массива геоинформации
Оперативно-телеметрический архив служит для долговременного хранения относительно старой телеметрии и оперативной геоинформации в сжатом виде. Объемы подобной информации со временем будут огромны, поэтому степень ее сжатия должна быть как можно более высокой. Для повышения качества сжатия телеметрии необходимо по возможности распознать типовые последовательности телеметрических данных для использования их в качестве шаблонов, а затем воспользоваться преобразованием в разностную форму, используемую телеметрическим протоколом, с последующим сжатием полученных значений статистическим методом кодирования информации [7], в качестве которого можно использовать метод Хаффмана, арифметическое или комбинаторное кодирование [8]. При сжатии оперативной информации также следует использовать особенности ее представления, например, векторные данные из последовательностей точек можно преобразовать в набор разностей и сжать их статистическим методом, а текстовую информацию сжимать словарным методом или адаптивным статистическим кодом с начальной таблицей частот, ориентированной на текстовую информацию.
Система анализа геоданных и имитационного моделирования предназначена для выполнения трех основных функций — оповещения, сопровождения и прогнозирования (рис. 7). Эти функции реализуются на основе анализа разнородной геоинформации от различных источ-
Оповещение
Обработка внешних тревожных сообщений
Анализ данных спутникового мониторинга
Учет профилактических мероприятий
ников и результатов имитационного моделирования геопространства как очень сложной системы, создание аналитической модели для которой не представляется возможным. Функция оповещения реализуется на основе непрерывного анализа различных данных спутникового мониторинга, систем сигнализации, сейсмических датчиков и других источников. Сюда же относятся напоминания о необходимости проведения различных профилактических мероприятий, например, техосмотры опасных объектов с учетом динамики природных и техногенных факторов, моделирования коррозионных, оползневых и прочих потенциально опасных процессов. Функция сопровождения играет важную роль в ходе оперативных действии и учений командного состава. Прокладка оптимальных маршрутов для транспортного и пешего состава в городах и по пересеченной местности помогает существенно сократить время передвижения по незнакомым территориям и позволяет сэкономить диспетчеру время в пользу других задач. Выявление приоритетных целей и выдача тактических рекомендаций в ходе операций служат снижению риска ошибок при принятии решений, но никогда не должны быть безупречным эталоном, насколько бы адекватной реальности ни считалась имитационная модель, на основе которой ведется сопровождение операций. Функция прогнозирования полностью полагается на аппарат имитационного моделирования и служит для определения вероятностей возникновения чрезвычайных ситуаций, моделирования альтернатив их развития и ликвидации, оценки последствий, зон карантина и эвакуации, а также предсказания многих других потенциальных процессов и возможных параметров их развития.
Средства визуализации геопространства представляют собой специализированный трехмерный графический движок, который отвечает за формирование сцены окна геомониторинга и использует широкий набор программных техник. Учитывая глобальность геопространства, оно должно быть подвергнуто сегментации, в рамках которой рекомендуется применить технологию квадро- или октодере-вьев, которая позволит выполнять эффективное отсечение невидимой части сцены и динамическую детализацию геопространства. Чтобы обеспечить визуализацию огромных (до сотен гигабайт) растровых
Сопровождение
Поиск оптимальных маршрутов
Выявление приоритетных целей
Выдача тактических рекомендаций
Прогнозирование
Прогноз вероятности возникновения ЧС
Оценка последствий и вариантов развития ЧС
Моделирование сценариев ликвидации ЧС
Рис. 7. Функции системы анализа геоданных и имитационного моделирования
карт в реальном времени, рекомендуется использовать технологию мегатекстур. В процессе наложения и привязки растровых картографических данных могут потребовать нелинейные искажения сегментов карты, так называемое квадротекстурирование, которое лучше осуществлять путем триангуляции квадратного сегмента ЛБСБ. Количество узлов разбиения п на каждую из сторон триангуляционной сетки предлагается вычислять по формуле
ЮС -АВ\
Координаты вершин сегмента задаются в пикселях, а число интерполирующих треугольников будет равным 2 . (п + 1)2. Для визуализации векторных слоев геоданных потребуется библиотека для вывода паттерн-линий, кривых и полигонов с триангуляцией (как правильных, так и неправильных форм). Важную роль при визуализации играет система кэширования геоинформации, необходимая для быстрого доступа к графическим ресурсам и снижения числа обращений к геоинформационной базе данных. Например, треки передвижения наблюдаемых объектов могут по мере их поступления сегментироваться и редуцироваться в рамках пересекаемых сегментов и уровней их детализации, а затем помещаться в кэш и извлекаться по мере необходимости.
Средства редактирования геоинформации должны обеспечивать необходимый минимум программных средств, к которым относятся:
1) библиотеки импорта и экспорта между внутренними и внешними форматами геоданных;
2) полнофункциональный векторный редактор в виде набора инструментов для работы с отметками, линиями, полигонами, графами связанных объектов и различной семантикой элементов векторного слоя;
3) редактор размещения растровых слоев, в качестве которых рекомендуется использовать мегатек-стуры; во время их привязки используются инструменты для манипуляций полигональными сетками.
Дополнительно сюда можно отнести системы векторизации и распознавания данных дистанционного зондирования Земли [9] и бумажных карт, трехмерные и другие специализированные редакторы. Дополнительные средства могут быть внешними по отношению к системе мониторинга и компенсироваться библиотеками импорта геоинформации.
Средства формирования отчетов должны быть в достаточной мере универсальны, чтобы удовлетворить всем потребностям пользователей системы; как правило, это невозможно. Поэтому предлагается разработать набор средств для формирования отчетов и несколько типовых генераторов отчетности, а их специализацию оставить конечному пользователю. Для этого необходимо иметь:
библиотеки построения электронных таблиц, гра-
фиков, диаграмм и прочих элементов для отображения и печати разнообразной отчетной информации;
интерпретируемый язык для манипуляций данными и вводом-выводом в рамках указанных библиотек с возможностью доступа к информационным ресурсам системы мониторинга посредством специального прикладного пользовательского интерфейса.
Генератор отчета будет представлять собой программу на интерпретируемом языке, которая в процессе своего исполнения будет формировать таблицы, строить графики на основании имеющейся в базах данных информации и результатов запросов к системе анализа геоданных и имитационного моделирования. Поскольку интерпретируемый язык значительно уступает в производительности скомпилированной программе, необходимо создать дополнительный набор библиотек для типовых вычислений, например, для проверки телеметрии объекта наблюдения на предмет соблюдения плана патрулирования с учетом семантики векторных карт [10]. Для подключения подобных библиотек можно предусмотреть систему пользовательских расширений.
Модель геопространства во многом определяет внутреннюю архитектуру базовых программных компонент системы мониторинга. От ее выбора будет зависеть не только внешний вид и удобство, но эффективность и жизненный цикл проектируемой системы мониторинга в целом. Имитация моделей природных и техногенных систем, действующих в планетарных масштабах, требует особого подхода к моделированию виртуальной среды, который должен обеспечивать равномерную сегментацию геопространства со строгим соответствием между родительскими и дочерними сегментами. При этом механизм сегментации должен максимально эффективно интегрироваться с широким набором техники визуализации и доступа к данным в реальном времени, разработанным для локальных моделей местности, ограниченных некоторым кубом пространства.
Для решения перечисленных задач предлагается использовать специально разработанный метод прямой сегментации сферы [11]. Чтобы обеспечить прямую (без рекурсии) сегментацию, разработана специальная система координат [12] (рис. 8), состоящая из 10 координатных сеток, базирующихся на икосаэдре, каждая из которых состоит из двух сферических треугольников. Координатные полусетки формируются путем разбиения поверхности двумя пучками плоскостей, чьи направляющие обозначены через N и N.
Рассмотренная система координат обеспечивает быстрый и однозначный переход к декартовой системе координат и обратно, что позволяет существенно упростить обмен геоинформацией с внешними приложениями. Важно отметить, что при сегментации
Рис. 8. Специальная система координат применительно к поверхности Земли
пограничные вершины соседних базовых сегментов строго совпадают (рис. 9), тем самым гарантируется бесшовная визуализация и непрерывность геоданных.
Рис. 9. Пример моделирования пустого геопространства размером с Землю
Предложенный подход к построению систем мониторинга для служб быстрого реагирования командного типа совместно с приведенными протоколами,
методами и рекомендациями призваны помочь в проектировании надежной и эффективной системы, отвечающей самым современным требованиям, и способной исправно служить в любой точке земного шара.
Литература
2.
6.
7.
Серапинас Б.Б. Математическая картография. М.: Издательский центр «Академия», 2005. 336 с.
O.K. Tonguz, G. Ferrari. Ad Hoc Wireless Networks: A Communication-Theoretic Perspective. Wiley. March 2006. — 346 p. — ISBN 978-0-470-09110-4
3. Гришин М.Л., Данилкин Ф.А. Проектирование устройств для сбора данных о позиции и другой телеметрии подвижного объекта в реальном времени // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2010. № 2 (вып. 32). С. 55-60.
4. Финкенцеллер К. RFID-технологии. М.: Додэка XXI, 2010. 496 с.
5. Гришин М.Л., Данилкин Ф.А. Метод быстрой фильтрации потока данных о глобальной позиции наблюдаемого объекта на примере GPS-телеметрии // Геоинформатика. 2008. № 3. С. 21-28. Строгалев В.П., Толкачева И.О. Имитационное моделирование: Учеб. пособ. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 280 с.
Сэломон Д. Сжатие данных, изображений и звука. М.: Техносфера, 2004. 368 с.
8. Данилкин Ф.А., Гришин М.Л. Комбинаторное кодирование для сжатия данных // Известия ТулГУ. Технические науки. 2008. Вып. 2. С. 251-258.
9. Чандра А.М., Гош С.К. Дистанционное зондирование и географические информационные системы. М.: Техносфера, 2008. 312 с.
10. Данилкин Ф.А., Гришин М.Л. Учет семантики векторных карт при анализе телеметрии перемещающегося объекта // Приборы и управление: Сб. ст. молодых ученых. ТулГУ, 2008. Вып. 6.
11. Гришин М.Л. Прямой метод сегментации сферы при трехмерном моделировании поверхности Земли // Четвертая международная конференция «Земля из космоса: наиболее эффективные решения». Тезисы докладов. 2009. С. 109-112.
12. Гришин М.Л., Данилкин Ф.А. Специальная система координат для моделирования планет // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2010. № 10. С. 21-25.
Сведения об авторах
Седельников Юрий Викторович: МЧС России, Департамент гражданской защиты, заместитель директора. 121357, Москва, ул. Ватутина, 1.
Гришин Максим Леонидович: аспирант, Тульский государственный университет. E-mail: altmer@arts-union.ru
