Высшее профессиональное образование основы геоинформатики вдвух книгах

Вид материала

Книга

Содержание Первый этап Второй этап Третий этап Использование ГИС для ведения информационной базы по рас­положенным в пространстве объектам. Использование ГИС для создания расчетной модели сети. Топологические задачи. Технологические расчеты. Расчетная модель и реальность.

Подобный материал:

• Должностная инструкция менеджера по персоналу 00. 00. 0000, 61.54kb.
• Наименование реализуемых программ, 40.13kb.
• Учебное пособие практикум по конкурентным стратегиям, слияниям и поглощениям Кафедра, 1849.76kb.
• Утверждено ученым советом дгу 26 января 2012 г., протокол, 78.34kb.
• Программа вступительных испытаний по литературе на экзамене по литературе поступающий, 270.11kb.
• Апк агропромышленный комплекс; впо высшее профессиональное образование; гоу государственное, 760.98kb.
• Высшее экономическое образование за 3 года 4 месяца для лиц, имеющих среднее и высшее, 28.87kb.
• Учебно-тематический план для подготовки по специальности «Оператор ЭВМ с основами делопроизводства, 140.91kb.
• Учебно-тематический план для подготовки по специальности «Оператор ЭВМ с основами арм, 121.8kb.
• «Исследование природных ресурсов аэрокосмическими средствами», 30.45kb.

людские; программно-технические; организационно-техно­логические.

Необходимо формирование технологической цепочки по за­несению, обновлению и сопровождению пространственной ин­формации (аналог —паспортный стол), обучение персонала уп­равления архитектуры использованию формируемого архива, тех­нологии ГИС, в перспективе с передачей функций сопровожде­ния и ведения архива с четким разграничением полномочий и доступа.

В результате реализации данного проекта в полном объеме уп­равление архитектуры получит цифровой архив карт города, об­ладающий эффективными средствами сопровождения; город­ской информационный центр получит отлаженную технологи­ческую цепочку наполнения базовой ГИС географической ин­формацией, позволяющей генерировать прикладные ГИС по служ­бам; городские службы получат в свое распоряжение точную и свежую географическую информацию, систему генерации при­кладных ГИС.

При формировании данной системы требует отдельной прора­ботки вопрос разграничения доступа и прав использования со­здаваемой информации.

Прикладные ГИС формируются по службам, базовая ГИС ис­пользуется для генерации необходимых им данных, организации и согласования взаимодействия с другими службами. На первом этапе прикладные ГИС формируются в виде пилотных проектов, — т.е. проектов, небольших по объему и сложности. Второй этап — на базе опыта, приобретенного в результате работы над пилот­ным проектом, формируется полноценная прикладная ГИС, ра­ботающая на сервере городского информационного центра. На третьем этапе возможно выделение прикладной ГИС как удален­ного рабочего места муниципальной ГИС. Формирование приклад­ной ГИС проходит в три этапа.

Первый этап. Выполняется в виде пилотного проекта по каж­дой городской службе. Выполнение пилотных проектов позволяет получить достоверные данные о наличии, доступности и досто­верности обрабатываемой данной службой информации; ознако­мить персонал с возможностями системы; сформулировать тех­ническое задание на геоинформационную подсистему данной

379

службы; увязать ее в общую структуру формируемой городской геоинформационной системы; выявить потребность в дооснаще-нии (техническом и программном); решить организационно-пра­вовые вопросы подготовки, обработки и использования инфор­мации.

Второй этап. Происходит выделение прикладной ГИС в само­стоятельную систему на базе сервера городского информацион­ного центра и рабочих мест оператора (в том числе в составе служ­бы). Производится постоянное, планомерное занесение и обнов­ление пространственной и тематической информации по темам в порядке, согласованном со службой, в зависимости от актуально­сти и достоверности информации. По мере накопления информа­ции и решения организационно-технических вопросов в рамках службы и городского информационного центра — организация связи по электронной сети.

Третий этап. Происходит выделение прикладной ГИС в само­стоятельную систему на базе удаленного рабочего места службы, базовая ГИС выполняет роль генератора данной прикладной ГИС, администратора муниципальной ГИС. Производится постоянное, планомерное занесение и обновление пространственной и тема­тической информации по темам в порядке, согласованном со служ­бой, в зависимости от актуальности и достоверности информа­ции. По мере развития системы — организация рабочих мест по сопровождению системы в рамках службы.

Содержание каждого этапа зависит от потребностей каждой конкретной службы.

Контрольные вопросы

1. Что входит в понятие муниципальной ГИС?
   
2. Какие задачи призваны решать МГИС?
   
3. Какие требования в выборе программного обеспечения предъявля­
   ются к МГИС?
   
4. В чем отличие базовой и прикладной компонент муниципальной ГИС?
   
5. В чем смысл основных этапов формирования МГИС?
   

19.6. ГИС и инженерные коммуникации

Электрические, тепловые, водопроводные, газовые сети яв­ляются очень сложными инженерными объектами. Задачи пред­приятий, эксплуатирующих инженерные коммуникации, мно­гообразны.

Основной задачей предприятия является доставка потребите­лям того или иного носителя с заданными физическими парамет­рами. Эта задача ставит перед эксплуатирующей организацией ряд внутренних задач:

380

1. стратегического планирования, прогнозирования и выяв­
   ления потребностей в развитии инженерных сетей;
   
2. конкретного развития и проектирования инженерных сетей;
   
3. инвентаризации объектов распределенной производствен­
   ной и вспомогательной инфраструктуры предприятий инженер­
   ных сетей, ведение технической документации;
   
4. помощи в организации обслуживания клиентов и расчетов
   с ними за предоставляемые ресурсы (электроэнергию, воду, газ);
   
5. анализа деятельности предприятия и качества обслужива­
   ния потребителя;
   
6. оперативного диспетчерского управления в нормальном ре­
   жиме эксплуатации;
   
7. оперативного реагирования на аварии и чрезвычайные си­
   туации, в том числе внешние по отношению к данной конкрет­
   ной инженерной сети;
   
8. обеспечения профилактических и аварийных ремонтных работ;
   
9. обеспечения взаимодействия с другими инженерными се­
   тями на территории, взаимодействия с другими территориальны­
   ми службами и органами управления (земельным кадастром, орга­
   нами охраны окружающей среды и т.д.);
   

10) мониторинга состояния сетей и предотвращения аварий­
ных ситуаций.

Ни у кого не вызывает сомнений, что многообразие задач и огромный объем информации требуют использования компью­терных технологий. Как правило, различные задачи выполняются различными подразделениями организации, а используемые про­граммные средства слабо связаны друг с другом, зачастую дубли­руют часть информации и часть функций.

Какое место в решении этих задач может найти и уже сейчас находит применение геоинформационных технологий?

Использование ГИС для ведения информационной базы по рас­положенным в пространстве объектам. Для этих целей использова­ние ГИС обусловлено самой природой основных данных по инже­нерным сетям, которые представляют собой пример равноправ­ного сочетания данных пространственных и атрибутивных. ГИС и существуют для того, чтобы обеспечить средства для работы с такими данными.

ГИС позволяют предприятию тех или иных инженерных сетей существовать в едином информационном пространстве с другими объектами на той же территории. Если несколько лет назад каждая организация, использующая ГИС-технологии, для своих целей, вводила всю пространственную подоснову сама, то сейчас ситуа­ция изменилась. Во многих городах существуют нормальные карты, актуальность которых поддерживают профессионально занимаю­щиеся этим организации. Например, предприятию сетей достаточ­но получить от города информацию по кварталам, зданиям, ули-

381

цам, сетям других организаций и т. д. и заниматься только ведением слоев, связанных с их собственными сетями. Наличие комплекс­ной информации о территории, возможность выполнения различ­ных пространственных запросов существенно помогает при приня­тии решений по развитию сетей, их ремонту, устранению аварий.

Часто требуется многоуровневая организация пространствен­ной информации. Так, например, на карте города насосная стан­ция может быть представлена кружком. В то же время это целое сооружение с большим количеством оборудования, для которого может существовать своя подробная схема. Используя ГИС как пространственное меню, можно с карты города выйти на подроб­ную схему конкретного объекта, в котором каждый элемент свя­зан уже со своей базой атрибутов. Кроме того, один и тот же объект может одновременно присутствовать на карте, на укрупненной технологической схеме и на диспетчерской схеме.

Вроде ничего сложного. Используя какую-нибудь ГИС, мы создаем слой для ввода сети на карте местности, составляем для него таблицу, вводим в этот слой нужный объект и заносим по нему информацию, затем создаем слой для диспетчерской схе­мы, вводим в этот слой тот же (по смыслу) объект и заносим по нему информацию. И тут возникает проблема. С точки зрения ГИС — это разные объекты в разных слоях и связи между ними никакой, но в жизни это один объект и атрибутивная информа­ция у него должна быть одна. Иными словами, как, указав на разных картах разные объекты, узнать, что это все тот же объект, т.е. попасть в одну и ту же запись атрибутивной базы данных? Готовых рецептов здесь нет. Подобные проблемы требуют серьез­ного проектирования базы атрибутов, разработки дополнитель­ных программных решений. Сложность решения может сильно зависеть от гибкости программы. Сравните, одному объекту мо­гут соответствовать два графических представления или одному объекту может соответствовать любое количество графических представлений. Зачастую на предприятиях сознательно идут на дублирование данных в разных подразделениях, организовав, где необходимо, процедуры обмена.

Использование ГИС для создания расчетной модели сети. То, что ГИС, безусловно, подходит для привязки объектов к терри­тории, подключения к ним атрибутивной информации, выпол­нения пространственных запросов, вывода информации на пе­чать, в равной степени могло бы касаться и любых других терри­ториальных объектов, не связанных с инженерными сетями. Од­нако в процессе эксплуатации инженерных сетей возникает мно­го специфических вопросов, прямо не связанных с ГИС: какое давление будет в трубопроводе при выходе из строя насоса, сколько потребителей окажется без воды при отключении задвижки, ка­кой будет ток короткого замыкания на шине. Если нельзя быстро

382

я правильно ответить на десятки подобных вопросов, то трудно говорить о возможности эффективного управления сетями. Сети нужно уметь моделировать.

В основе математической модели для расчетов сетей лежит граф. Как известно, граф состоит из узлов, соединенных дугами.

В любой сети можно выделить свой набор узловых элементов. Так, в теплоснабжении — это источники, тепловые камеры, потребите­ли, насосные станции, запорная арматура; в электроснабжении — источники, трансформаторы, потребители, выключатели и т.д.

Дугами графа являются участки сети: трубопроводы, кабели. Участок обязательно должен начинаться в каком-то узле и закан­чиваться узлом.

На рис. 51 приведен пример того, как выглядит фрагмент теп­ловой сети, полученной от геодезистов. Участки трубопроводов, идущие между бетонными стенками каналов, заканчиваются у стен зданий и стенок колодцев. Очевидно, что напрямую использовать эту информацию для построения расчетной математической мо­дели невозможно. С точки зрения модели, это не более чем рису­нок. И неудивительно, что долгое время на предприятиях, эксп­луатирующих сети, совершенно независимо могли существовать службы, занимающиеся ведением схем, чертежей, привязкой объектов сети к территории, паспортизацией сети, и отделы, за­нимающиеся технологическими расчетами сетей.

В программных средствах, не использующих геоинформацион­ные технологии, описание графа сети (кодирование сети) произ­водилось в табличном виде.

Например, для рис. 51 фрагмент графа, состоящий только из трех потребителей и четырех тепловых камер, можно было бы представить так:

ТК2	ТК1
ТК1	Ш
ткз	ТК4
ТК4	П2
ТК4	ПЗ

Давайте проверим, все ли участки фрагмента сети мы описали. Сверяясь с рисунком и просматривая записи таблицы, нетрудно заметить, что нами пропущен один участок (ТКЗ, ТК2). Добавля­ем запись в таблицу и исправляем ошибку.

Вроде бы все не так сложно, но теперь представьте, что таких участков в сети несколько тысяч. Легко понять, что начать расчеты и заняться анализом их результатов (то, ради чего и нужна кодировка), придется не скоро. И даже после окончания кодирования сети доб­росовестного специалиста периодически будет посещать мысль, а пра­вильно ли я все ввел?

383

Теперь представим, что ка­кой-то графический редактор позволяет работать с точками и линиями, наделенными рядом дополнительных свойств, не связанных с координатной при­вязкой и стилем отображения: 1) точечный объект одновре­менно является узлом математи­ческого графа;

Рис. 51. Фрагмент тепловой сети ²) линейный объект одновре­менно является дугой математи­ческого графа. Отсюда следует, что в начале и конце такого ли­нейного объекта обязательно должны находиться точечные объек­ты, являющиеся узлами.

Если графический редактор позволяет добавлять объекты с та­кими свойствами, то, начиная рисовать участок сети, нужно бу­дет обязательно либо привязать начало участка к одному из суще­ствующих узлов, либо выбрать из набора узлов, входящих в струк­туру слоя, узел, в котором этот участок будет начинаться. Точно так же, заканчивая ввод участка, нужно либо привязать его конец к одному из существующих узлов, либо установить новый узел, в котором участок будет закончен.

Если мы перемещаем какой-то узел (изменяем его координаты), то вместе с ним переместятся начала и концы участков, связанных с этим узлом, т.е. изменение положения узлов в пространстве не при­ведет к изменению топологии графа. Сеть не «развалится».

С точки зрения математической модели совершенно неважно, будут ли координаты узлов и точек перелома участков введены по координатам с геодезической точностью, обрисованы по какой-то подложке или просто изображены схематично. Важно, что нуж­ные пары узлов соединены дугами, и в результате «рисования» сети мы автоматически получаем и кодировку математического графа сети.

А теперь представим, что таким топологическим редактором обладает геоинформационная система. Тогда все возможности и достоинства ГИС совмещаются с возможностью описывать в гра­фическом виде математическую модель сети.

Когда ГИС обладает описанными свойствами, принято гово­рить, что она поддерживает линейно-узловую топологию. К та­ким ГИС, например, относятся ArcGIS, GeoMedia, отечествен­ные ИнГЕО, Zulu.

Возвращаясь к примеру и используя его как подложку для вво­да сети в виде графа, можно получить фрагмент слоя доя расчетов. Этот слой одновременно содержит информацию о пространствен­ном положении элементов сети и о ее математической модели.

384

Конкретные реализации топо­
логических редакторов по уровню
сложности и набору сервисных
возможностей могут быть различ­
ны (рис. 52). Средства редактиро­
вания для инженерных сетей дол­
жны включать возможность опре­
деления специальных правил,
контролирующих допустимые и
недопустимые действия пользова­
теля при определении компонен- _{Рис 52} представление сети
тов сети или изменении ее кон- _{в виде гра}ф_а

фигурации. Например, потреби­тель может быть связан только с одним участком; высоковольтный и низковольтный участки могут быть связаны не напрямую, а только через трансформатор; в регулятор давления только один участок должен входить и только один выходить; и т.д. Таким образом, можно говорить не о редактировании полилиний или точек — гео­метрических примитивов, а о редактировании содержательно оп­ределенных объектов — потребителей, проводников, выключате­лей, трансформаторов или трубопроводов, вентилей, насосов.

Топологические задачи. В инженерных сетях, независимо от их назначения, можно выделить ряд общих с точки зрения тополо­гии элементов.

1. Источник. Узловой элемент. В электроснабжении это может
   быть источник напряжения, трансформаторная подстанция, в
   водоснабжении — водонапорная башня, скважина, в теплоснаб­
   жении — котельная, ТЭЦ. Источник может иметь два состояния:
   включен или отключен.
   
2. Потребитель. Узловой элемент. Это потребители воды, газа,
   электрической и тепловой энергии. Источник может иметь два
   состояния: подключен или отключен.
   
3. Осекающее устройство. Узловой элемент. В электроснабже­
   нии — это рубильники, выключатели, контакторы, в трубопровод­
   ных сетях — запорная арматура: вентили, задвижки, краны. Отсе­
   кающее устройство может иметь два состояния: открыто или закрыто.
   
4. Простые узлы служат для соединения участков и всегда име­
   ют одно состояние — открыто.
   
5. Участок. Линейный объект. Соединяет пару узлов. Это кабели,
   ЛЭП, участки трубопроводов. В зависимости от конкретной реа­
   лизации участок тоже может иметь определенное состояние: от­
   крыт или закрыт. Кроме того, участок имеет направление от на­
   чального узла к конечному узлу.
   

Конкретных задач, использующих топологические свойства графа сети, можно придумать множество. Перечислим некоторые из них.

1. Проверка связанности. Эта проверка базируется на поиске пути
по графу между двумя узлами. Если путь между узлами найден, то
узлы связаны друг с другом и являются членами одной подсети.

Таким образом можно определить, связан ли данный потреби­тель с данным источником, работают ли два источника на одну сеть. Используя возможности ГИС по созданию тематических карт, можно покрасить все участки, связанные с указанным источником в один цвет, а все остальные — в другой. Несмотря на простоту такой операции, это очень мощное средство контроля ошибок при вводе. Если в каком-то месте сети ошибочно допущен разрыв, то его можно сразу увидеть по смене цвета участков на границе раз­рыва.

2. Поиск ближайших отсекающих устройств. Эта возможность
   крайне важна при локализации места аварии или планового вы­
   вода участков сети из работы. Конфигурация сети бывает доволь­
   но сложной, и в уме не всегда можно быстро и правильно опреде­
   лить, какие отсекающие устройства нужно закрыть, чтобы изо­
   лировать участок сети. Ошибки в таких случаях могут стоить очень
   дорого. Особенно важно, чтобы отключение было оптимальным,
   т.е. привело бы к отключению минимального числа потребителей.
   На графе сети такие задачи решаются очень просто.
   
3. Анализ результатов переключений в сети. На рис. 53 изобра­
   жены два состояния фрагмента сети: до и после отключения
   задвижки.
   

Когда задвижка на карте переводится в состояние «закрыто», граф сети пересчитывается и отсеченные от источника потребители авто­матически принимают состояние «отключен». При этом формирует­ся список отключившихся потребителей. Если на карте присутствует слой со зданиями и узлы потребителей помещены внутри контуров зданий, то пространственным запросом можно определить, какие здания были отключены, и получить список их адресов.

Результаты отключения можно передать в диспетчерскую сис­тему для формирования записей в журнале отключений, а список



Рис. 53. Состояние сети до (а) и после (б) отключения задвижки 386

отключенных абонентов мож­но передать в систему по рас­четам с потребителями для пе­рерасчета начисляемой абонен­тской платы. Заметим, что при

££ючен„„ десятков и сотен 5£££2£?£1
потребителей получение таких потребителями

списков «вручную» довольно трудоемко и не гарантировано от ошибок.

Технологические расчеты. Знание топологии сети позволяет найти ответы на многие вопросы. Но есть ряд задач, которые невозможно решить без учета физической сущности сетей. Вот пример простой схемы тепловой сети с двумя источниками и двумя потребителями (рис. 54). Как определить, в какую сторону потечет вода по средне­му участку? Найти ответ путем логического анализа топологии сети невозможно. Решение зависит от многих факторов: напора на вы­ходе каждого источника, гидравлических сопротивлений всех уча­стков трубопроводов, тепловых и гидравлических параметров по­требителей и т.д. Без физических расчетов, учитывающих техноло­гию функционирования сети, тут обойтись уже нельзя.

Для каждого типа инженерных сетей существует множество ме­тодик технологических расчетов. Это электрические, гидравличе­ские, теплогидравлические, прочностные расчеты, выходящие за рамки данного предмета. Важно то, что использование ГИС суще­ственно облегчает и упрощает работу по созданию расчетной мо­дели сети и вводу атрибутивных данных.

Расчетная модель и реальность. Следует отметить, что создавае­мая для расчетов сеть все-таки является моделью, а не полной ко­пией сети на местности.