Интеграция геоинформационных систем в корпоративные информационные системы крупных предприятий и организаций Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ПРОИЗВОДСТВАМИ

УДК 004:528

С. В. ПАВЛОВ, Р. З. ХАМИТОВ, О.И.ХРИСТОДУЛО

ИНТЕГРАЦИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В КОРПОРАТИВНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ КРУПНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И ОРГАНИЗАЦИЙ

Рассматриваются вопросы проектирования геоинформационных систем, позволяющие использовать накопленные атрибутивные данные из действующих корпоративных информационных систем предприятий и организаций на примере Федерального агентства водных ресурсов. Геоинформационные системы; технология интеграции; проектирование многомерных моделей; многомерные информационные объекты; операции над многомерными информационными

объектами

ВВЕДЕНИЕ

При совершенствовании деятельности органов государственной власти, крупных предприятий и организаций все большее внимание уделяется использованию пространственных (географических) данных [1], которые, с одной стороны, должны быть организованы в геоинформационные системы (ГИС), с другой стороны, органично вписываться в действующие корпоративные информационные системы.

Основная цель деятельности Федерального агентства водных ресурсов (Агентства Росводресурсов) заключается в управлении водными ресурсами страны. Для достижения этой цели необходима информация об объектах управления (т. е. собственно водных ресурсах) и их окружении.

Особенностью рассматриваемых водных, водохозяйственных и других объектов (реки, озера, каналы, водохранилища, гидротехнические сооружения) является их существенная протяженность и распределенность по всей территории России и сопредельных государств. Причем наличие информации о точном местоположении объектов, их взаимном расположении и взаимосвязи существенно влияет на качество управленческих решений, принимаемых и реализуемых на различных уровнях: федеральном, бассейновом, территориальном и местном.

В связи с этим, в Росводресурсах принято решение о поэтапном создании и внедрении геоинформационной системы, содержащей пространственную информацию и методы ее использования для поддержки приня-

тия решений по управлению водными ресурсами [3,5].

Одним из важнейших положительных свойств ГИС является их способность интегрировать (увязывать в единую систему) как разнородную информацию, так и различные функциональные (производственные) задачи. Это свойство базируется на том, что вся разнородная информация (алфавитно-цифровая, графическая, картографическая, видео и фотоснимки, математическое описание процессов), необходимая для организации и управления деятельностью предприятия, может быть привязана к карте или объектам (объекту) карты предприятия и его окрестностей.

Аналогично удается осуществить интеграцию функциональных задач. Так как алгоритмы их решения базируются на интегрированной в единую систему (на основе ГИС-техно-логий) информации о территории предприятия, то за счет выбора технологии решения этих задач (на основе ГИС) и представления результатов их решения конкретным специалистам удается реализовать взаимный обмен результатами решения этих задач.

В достаточно общем виде схема интеграции данных и задач для Федерального агентства водных ресурсов представлена на рис. 1. Конкретный набор действующих информационных систем и перечень решаемых функциональных задач для каждого предприятия или организации могут различаться, однако, существуют и некоторые инварианты при практической реализации данной схемы — выбор базовой технологии.

ГИСРОСВСДРОТОСВ

АРМ информацио-нс -сгревсч-ьк задан

АРМ адимтратора и менэджера ГИС

АРМы решения грсизвсрствен-ык задач

а

ЕННОРМЙЦРОННОЕХРАЕИШЕЦЕСНСПМ^!

Фгкралшьйурсгеиь Бшсейжай урсвань Терригсрвлыьйурстень

тг

КИС

Юсвооресурсов

ИЬкрфаЁ обменндйнными

и- а и гг £

2-ТП

Ввдхо»,

2-ОС

ГЪрролаипкские I щфохиивсыс харатаериспта воднык объектов

Данные об объемах икаталве сбрасыганыквод

Дквраци

бвогааюст

ГТС

Лцеши

ВодопоЛЬЗо

ваше

ЭЛютронвя юргографипеаоя ифрящя о территории М>и щираиньктЕрригортк

^иъе

диланиоиЕГО

зоюироваия

Псты фжганаровашн, вдоровый

ЮТЕЩПЛ

Истопники информации

Рис. 1. Схема интеграции разнородных данных и функциональных задач

При разработке и внедрении ГИС возникает ряд специфических проблем. Будучи относительно новым продуктом, ГИС внедряются в уже существующую информационную инфраструктуру предприятий. Так как использование ГИС подразумевает наличие широкой сети территориально распределенных подразделений, или клиентов, основными пользователями ГИС становятся крупные предприятия и организации с хорошо развитой информационной инфраструктурой, содержащей несколько БД, а также приложения, использующие локальные данные. Естественным требованием в такой ситуации является максимальное использование существующих программных, информационных и технических ресурсов. Таким образом, задача интеграции разнородных баз данных особенно актуальна при разработке и внедрении ГИС. Эта интеграция должна, по большей части, производиться со стороны разрабатываемой ГИС для сохранения работоспособности уже существующих систем.

С точки зрения проектирования программного обеспечения и базы данных, задача интеграции разнородных БД заключается в построении логической модели, описывающей существующие данные и операции над ними.

В настоящей работе предлагается оригинальный подход к проектированию многомерных моделей данных (ММД) ГИС с уче-

том уже существующих атрибутивных реляционных баз данных.

Достоинствами многомерного подхода является простота и наглядность представления информации в сочетании с компактностью ее хранения. ММД ориентированы на хранение и обработку больших объемов изменяющейся во времени информации, что характерно для корпоративных информационных систем крупных предприятий и организаций. Кроме того, в рамках данного подхода упрощается процедура формирования сложных запросов, упрощается навигация в БД в смысле уменьшения «времени отклика» и простоты «настройки» системы при работе с конкретной предметной областью.

МНОГОМЕРНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ОБЪЕКТЫ И ОПЕРАЦИИ НАД НИМИ

Характерной особенностью географических данных, используемых в ГИС, является их относительно высокая структурированность. В отличие от обычной реляционной БД, не накладывающей никаких ограничений на структуру хранимых в ней отношений, все объекты (слои), хранящиеся в базе географических данных (БГД), имеют минимальный общий набор атрибутов, характеризующий их положение в пространстве, и другие геометрические характеристики (например, длину или площадь). Слои БГД подраз-

деляются по степени детализации их геометрических характеристик, определяемой масштабом соответствующей карты. При этом одни и те же географические объекты могут быть представлены слоями разных типов (точечными, линейными и полигональными), в зависимости от степени детализации пространственных данных. Кроме того, географические объекты могут объединяться в тематические группы по признаку наличия между ними особых пространственных (топологии) или логических отношений.

Вышеприведенные особенности делают целесообразным использование для описания географических данных концепции многомерных информационных объектов [2]. Многомерный информационный объект (МИО) обозначается как

Т1\ (1)

гдеТ — имя МИО; п — размерность МИО; ъ — индекс (номер) МИО при рассмотрении совокупности МИО.

МИО размерности как единица хранения данных определяется рекурсивно через МИО меньшей размерности: Т° — множе-

ство, состоящее из одного элемента — константы; Т1 — множество МИО размерности ноль (Т°) (запись, вектор, домен, кортеж); Т2 — множество МИО размерности один (Т1) и т. д. В общем случае, Т” — множество МИО размерности ( ):

тп = {тп-1}г=_ (2)

Применительно к ГИС, МИО различных размерностей могут соответствовать: —

элементарной характеристике объекта; Т1 — полному описанию географического объекта; Т2 — описанию группы однотипных объектов;

— описанию всех рассматриваемых объектов с некоторой степенью детализации; Т4 — описанию всей БГД.

Для описания внутренней структуры МИО используется понятие схемы МИО , представляющей собой множество, значения которого задают порядок вхождения МИО размерности п — 1 ^ учетом порядка вхождения в них МИО меньших размерностей) в МИО размерности . В общем случае, схема МИО размерности будет определяться соотношением

5й =5(ТП) = {5(ТП"1),5П} =

__ г ап—2 о с 1 ____ _

— , Оп— 1, Оп $ — ... —

= {51,52,...,5п_1,5„}, (3)

где

С"-! — г е, с ,1

О ^ 01 5 5 О л— 1 ^ 5

ап—2 _____ гп о т

О 1^1? &п—2} ч

Я2 = {ЯьЯ2}

являются схемами МИО размерности ,

(п — 2),... , 2, входящих в Тп, а #2,..., £п-2, , — элементами схемы МИО размер-

ности .

Если выполняется равенство

5(Т/*) = Я(Т”), (4)

то объекты , являются однотипными.

* Л

В противном случае, они являются разнотипными.

ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ НАД МИО

Операция порождения. Из определения следует, что для получения МИО размерности из некоторого множества МИО размерности необходимо их объединить в но-

вое множество в порядке, задаваемом множеством . Эту процедуру получения из множества однотипных МИО размерности нового множества — МИО размерности в порядке, задаваемом множеством , назовем операцией порождения и обозначим ее

тп = {тр~1}*у, Т^ГТк. (5)

При этом объединяться могут только МИО с одинаковой схемой

$ = Я, для всех г = 1, к. (6)

Множество задает порядок вхождения в . В общем случае, схема МИО размерности определяется как совокупность схем, порождающих его МИО:

5(т«) = {5(т«-1),у} = {5,у}. (7)

Операция проецирования. Для организации поиска хранящейся в одном МИО информации введем операцию, обратную операции порождения, которую назовем проецированием МИО, а результат выполнения операции проецирования назовем проекцией исходного МИО.

Если при порождении МИО размерности из множества МИО размерности ре-

шается задача объединения нескольких агрегатов данных в один, более крупный, то при

проецировании, наоборот, из одного крупного агрегата данных должна быть произведена выборка данных меньшего объема.

Определим проекцию МИО размерности п со схемой 5 = {5і, 52, •••, вп-І ■ вп) на *0-ой элемент схемы как МИО размерности п — со схемой , который вхо-

дит под номером в совокупность порождающих МИО в (5) и обозначим

(т") = т?-1

(8)

Если элемент схемы содержит & элемен-

тов

= {#пД, #п,2, •••; $п,ги, •••; ^,к} ■

(9)

то существует проекций на элементы схемы

п.9 п.лт")=т;

•V — 1

і = 1, к.

(10)

Совокупность всех проекций на все элементы схемы будем называть проекцией на и обозначать

п3п(тп) = {тг'}, * = ТХ (11)

Таким образом, проекцией МИО на

схему является множество порождающих его .

Введенные таким образом операции порождения и проецирования МИО произвольной размерности позволяют организовать ввод, хранение и поиск данных путем композиции операций понижения (повышения) размерности соответствующих МИО и известных операций над отношениями. Выполняя в обратном порядке операции повышения (понижения) размерности МИО, можно разместить найденные данные в соответствующий МИО. Заметим, что операции порождения и проецирования МИО по одному и тому же элементу схемы взаимообратимы.

Действительно, пусть по-прежнему

Т" = { Т-1—1} ,

5 = 5(Тп) = (5ь52,...,5п).

(12)

Учитывая инвариантность информационного содержания по отношению к порядку элементов схемы, будем считать, что поро-жденпо элементу вп:

т„ = |^-і} * 5п?

/ грП— 1 \ /0 0 фп — 1 \

й [+І ) — ^1, 02, о )

тогда по определению (11):

(14)

Выполним операцию порождения к проекции на элемент схемы по этому же элементу :

(15)

аналогично в обратном порядке

{Т”-1}=П5ге({Т”-1},Яп), (16)

т. е. последовательное выполнение операций проецирования и порождения к оставляет его на месте (т. е. не изменяет).

Операция добавления. В процессе эксплуатации информационная система будет пополняться новой информацией, поэтому количество множеств в (2) и (5) со вре-

менем, уже при существующем , будет изменяться. Хотя с теоретической точки зрения это приводит только к изменению значения на единицу, то есть , с практиче-

ской точки зрения необходима операция по добавлению новых данных в существующий

. Так как определяется рекурсивно, то дос.таточно показать добавление к множеству {Т”-1} 7, = 1, к, еще одного с такой же схемой:

* (П+1) = я (тг1) = _

= (5Ь 52,Яп-х), 1 = 1, к. (17)

Тогда операция добавления кТп, которую будем обозначать

т " =тп и тл~1,

(18)

приводит лишь к изменению элемента схемы

Бп = Б (Т”) = (5Ь 52,5П_Ь в„) (19)

добавлением в него еще одного элемента

= (^пь^пг, ...,Зпк,Зпк+1). (20)

Так как добавление новой информации не приводит к изменению структуры данных, то и имя Тп в (19) изменять нет необходимости. Эта операция аналогична команде присваивания в языках программирования, изменяющих значения некоторой переменной : .

Так как порядок элементов схемы не влияет на информационное содержание МИО и на

форму описания предметной области, то для простоты изложения добавление нового осуществляется в конец , (то есть по порядку, задаваемому , является последним из всего множества {Т-"-1}, * = 1, к + 1).

Очевидно, что к вновь полученному по соотношению (18) МИО можно добавлять еще один , что приведет к добавлению в (20) еще одного элемента схемы. Выполняя эту операцию раз, можно к исходному со схемой (20) добавить однотипных МИО

грЛ—\ грТЬ — \

Т;

л-1

к+1 ! к+2 ' ‘ ‘ ‘ ' к+Ь '

причем,

я К’-1) = .у

л—1

і = 1, ь.

(21)

(22)

Выполняя преобразования (18) Ь раз, получим

Т" = Т" и (Т”-' и К'-,1 и... и (т;-1)...)) ,

(23)

причем схема по-прежнему удовлетворяет (19), а элемент будет иметь вид

<5?? = •••; <5г?(&+1); •••; <5г?(&+6)) •

(24)

В то же время, по определению МИО, множество (20) можно объединить в новый МИО размерности , который, в отличие от исходного, обозначим

2Т=К+Л.* = М (25)

со схемой

Я(Т”) = (Я”-1, Я*), (26)

где 5* задает порядок вхождения МИО Т^~У в (25).

Сравнивая (23) и (25), можно записать:

ти =Т" ит",

(27)

а из (24) и (26) следует, что

(28)

Таким образом, операция добавления справедлива для двух однотипных и :

и Т2П

(29)

и будет в этом случае называется объединением МИО, при этом

а последний элемент схемы результирующего МИО является объединением последних элементов схем МИО и .

Операция удаления. Удаление — процедура, обратная добавлению, и она заключается в исключении из множества однотипных МИО в (2) одного МИО Т”-1 и уменьшения их количества на единицу, то есть 1. При

этом изменяется элемент схемы (19) удалением из нее одного элемента . Так как порядок элементов в схеме не существенен, то для простоты обозначения будем считать, что удаляется последний элемент, то есть = к. В противном случае, при удалении произвольного элемента , оставшиеся просто необходимо перенумеровать. Обозначим операцию удаления

грП _ грПІ^П—І

го

(31)

(32)

так что по-прежнему

5(Тп) = 5п = (5ь52,...,5п),

^77 = 5,,2. .

Учитывая замечания (21)-(28) с заменой в них (21) на (31) и (23) на (32), по аналогии с (29) можно ввести операцию удаления из его части

т" =Т^/Т%

(33)

(30)

что фактически соответствует разделению одного МИО на два однотипных МИО, поэтому эту операцию в случае Ь>1 будем называть разделением МИО.

Операции добавления и удаления составляют группу операций обновления данных, вместе с операциями порождения и проецирования они позволяют осуществлять описание, ввод, корректировку и поиск информации, хранящейся в МИО.

Таким образом, существующая многомерная модель данных позволяет описывать пространственные данные и операции над ними, необходимые для построения ГИС.

В рамках концепции многомерных информационных объектов для объединения в единую модель данных ГИС и атрибутивных баз данных можно воспользоваться операциями объединения разнотипных МИО различных размерностей. На рис. 2 показан пример графического представления МИО, описывающего БД, содержащую пространственные, атрибутивные и метаданные, образованный при помощи объединения трех МИО разной размерности

КОДоб,СЛ (VI

Т6 = Т4 І I Т3 І IТ2 (34)

г.об. атр.об. т.н.*

Рис. 2. Графическое представление МИО для описания разнородных БД

Такое представление позволяет описать все рассматриваемые данные в рамках единой многомерной модели данных.

РЕШЕНИЕ

НЕКОТОРЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗАДАЧ НА ОСНОВЕ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ГИС

К настоящему моменту времени, в соответствии с естественным развитием геоин-

формационных систем на предприятиях и в организациях, в основном решаются задачи создания картографических баз данных, их интеграции с существующими атрибутивными базами данных и построения на их основе информационно-справочных систем. ГИС этого класса позволяют вводить, редактировать (исправлять или заменять), а также просматривать всю интересующую пользователя картографическую и атрибутивную информацию по предприятию.

Первым, наиболее распространенным классом задач, решаемых в Росводресурсах, являются информационно-справочные задачи, которые позволят осуществлять поиск и уточнение местоположения и характеристик интересующих объектов.

На рис. 3 представлен пример совместного отображения атрибутивных и пространственных данных, получаемых из интегрированной БД ГИС «Росводресурсы». При этом в основном окне отображается пространственное положение найденного объекта, а в дополнительном окне — его атрибутивные характеристики.

Рис. 3. Совместное отображение атрибутивных и пространственных данных из интегрированной БД

(поиск Рыбинского водохранилища)

Рис. 4. Представление информации в виде карт, графиков и таблиц

Рис. 5. Совместное использование атрибутивных и пространственных данных из интегрированной БД для расчета параметров распространения нефтяного пятна

На рис. 4 приведен пример решения одной из задач информационного обеспечения контроля развития паводковой ситуацией на территории РБ, более подробно рассмотренного в [4]. Информация об уровнях воды на гидрологических постах (в данном случае, пост «Уфа») представлена в 3-х видах: в картографическом, в виде графиков и таблиц.

На рис. 5 показан пример совместного использования атрибутивных и картографических данных из интегрированной БД для расчета параметров распространения нефтяного пятна при решении задачи моделирования аварийных разливов нефти (АРН). Данная задача позволяет моделировать последствия АРН, связанные с угрозой попадания нефти в водные объекты на основании данных о рельефе, хранящихся в географической базе данных и данных об объемах излившейся нефти, хранящихся в БД предприятия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Введенные многомерные информационные объекты и операции над ними дают возможность компактно и наглядно описывать пространственные и атрибутивные данные информационных систем предприятия в виде единой многомерной информационной модели, что позволяет разработать ГИС предприятия или организации, интегрированную в корпоративную информационную систему.

Описанная в статье технология интеграции геоинформационных систем в корпоративные информационные системы крупных предприятий и организаций позволяет существенно повысить информационную насыщенность среды деятельности руководства и структурных подразделений предприятия при принятии решения как за счет качественного изменения состава обрабатываемой информации, так и за счет применения новых способов обработки и анализа информации, используемой при принятии решений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Павлов, С. В. Комплексное решение некоторых задач управления предприятиями нефтегазового комплекса Республики Башкортостан на основе ГИС технологий / С. В. Павлов, Р. З. Хамитов // Нефтегазовое дело. 2003. № 1. С. 75-84.

2. Гвоздев, В. Е. Информационное обеспечение контроля и управления состоянием природ-

но-технических систем : учеб. пособие /

B. Е. Гвоздев, С. В. Павлов, И. У. Ямалов. Уфа: УГАТУ, 2002. 138 с.

3. Павлов, С. В. Создание корпоративной гео-информационной системы для Федерального агентства водных ресурсов / С. В. Павлов, Р. З. Хамитов, О. И. Христодуло // Компьютерные науки и информационные технологии : матер. 6-й Междунар. науч.-практ. конф. CSIT’2004. Будапешт, 2004. С. 62-66.

4. Павлов, С. В. Использование геоинформаци-онных технологий при разработке подсистемы информационного обеспечения контроля развития паводковой ситуации на территории Республики Башкортостан / С. В. Павлов,

C. Р. Галямов, И. Н. Заитов, О. И. Христодуло // ArcReview. 2006. № 4 (39). С. 5.

5. Никитин, А. Б. Геоинформационная система федерального агентства водных ресурсов / А. Б. Никитин, С. В. Павлов, Р. З. Хамитов // ArcReview. 2006. № 1 (36). С. 6-7.

ОБ АВТОРАХ

Павлов Сергей Владимирович, проф., зав. каф. гео-инф. систем. Дипл. по спец. «Вычислительная математика» (БГУ, 1977), д-р техн. наук (УГАТУ, 1998). Иссл. в обл. обработки пространств. данных.

Хамитов Рустэм Закие-вич, рук. Федер. агентства водных ресурсов (ФАВР). Дипл. инж. по авиац. и ра-кетн. двигателям (МВТУ им. Баумана, 1972). Д-р техн. наук (УГАТУ, 2000). Иссл. в обл. информ. систем при управлении соц.-экон. объектами.

Христодуло Ольга Игоревна, доц. каф. геоинф. систем. Дипл. инж. по автома-тиз. и механиз. процессов обр. и выдачи инф-и (УАИ, 1991). Канд. техн. наук (УГАТУ, 2000). Иссл. в обл. проектир. и разработки корпорат. инф. систем.