Design of road infomation models and information system based on them.pdf Задача информационного моделирования различныхпредметных областей в настоящее время является приоритет-ной в большинстве практических направлений использованияинформационных технологий. Большой интерес представляетсоздание моделей автомобильных дорог, что подтверждаетсябольшим количеством исследований в данной области. Одна-ко до сих пор не решен ряд задач, таких, как описание дви-жения сети дорог (ее состояния на определенные моментывремени), эксплуатационного сопровождения. В настоящейстатье предлагаются подходы к их решению.КРАТКИЙ ОБЗОРСУЩЕСТВУЮЩИХ РАЗРАБОТОКРазвитие информационного моделирования авто-мобильных дорог в России можно разделить на не-сколько исторических этапов. На первом этапе нача-лись опытные разработки моделей баз данных («Тер-ра», Воронеж; Новосибирское территориальноеуправление автомобильных дорог,. Новосибирск), атакже геоинформационных моделей (ИДЦ «Индор»,Томск). Это послужило толчком для разработки ин-формационных систем на базе этих моделей во мно-гих регионах. Эффективным этот этап назвать нельзявследствие отсутствия общего методологического исистемного подхода, нормативной базы и единогопредставления о конечном результате [1].На втором этапе была сделана попытка выработатьединый методологический подход и требования к ин-формационной системе и моделям, на базе которыхона построена (в рамках «Концепции построениякомплексной системы информационно-телекоммуни-кационного обеспечения дорожной отрасли»). Такжебыла предложена структура банка данных по состоя-нию сети автомобильных дорог (Ассоциация «РА-ДОР»). Однако и этот этап оказался малоэффектив-ным. В итоге большинство территориальных органовуправления автомобильными дорогами перешли кразработке своих информационных систем по состоя-нию сети автомобильных дорог (третий этап). Приэтом некоторые разработки не отвечают требованиямвышеупомянутой «Концепции…».Среди современных разработок следует отметитьтакие, как АБДД «Дорога», созданная ГП РосДорНИИпо заданию Федеральной дорожной службы России (внастоящее время Росавтодор). Информационная мо-дель в данной системе продумана слабо, структурапротиворечива, имеется множество мест дублирова-ния информации.Далее следует отметить «Комплексную автомати-зированную систему управления» (КАС), разработан-ную ОАО «Терра» по заданию «Воронежупрдор» [2].Данная разработка отличается хорошо проработанноймоделью, которая, однако, отличается большой гро-моздкостью и слабой структурированностью. Крометого, в ней отсутствуют элементы темпорального иэксплуатационного описания дороги и ее элементов.Система «Информационные ресурсы дорожной от-расли Приморского края» представляют собой корпо-ративный информационный банк данных [3]. Специ-фика используемых моделей такова, что достаточновелик процент геометрической и графической инфор-мации по объектам. Частично решен вопрос информа-ционного моделирования эксплуатационных событий,однако полноценного темпорального описания нет.Как пример тенденций графического моделирова-ния автомобильных дорог следует привести инфор-мационные системы на базе ГИС-проектов МАДИ(ГТТУ) [4, 5].Всё это позволяет сделать следующие выводы. Во-первых, в настоящее время накоплен достаточно боль-шой опыт информационного моделирования, выявленыважнейшие классы объектов и очерчен круг задач, вкоторых данные модели применимы. Отмечается тен-денция использования графического моделирования сиспользованием геоинформационных систем [6].В то же время остается нерешенными ряд задач, аименно: нет типовой модели предметной области,созданной на основе современных методик информа-ционного моделирования [7, 8], нет строгих моделейдля темпорального описания автомобильных дорог иих объектов и, как следствие, не разработаны методыанализа темпоральных данных в данном аспекте [9].ОБЪЕКТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРЕДМЕТ-НОЙ ОБЛАСТИКонцептуальным в нашем построении объектноймодели является то, что объекты сложной предметнойобласти мы разбиваем на некоторую иерархию типов[10]. Для этого мы рассмотрим следующую группуклассов объектов (рис. 1).Автомобильнаядорога (титул)Линейно-протяжен-ный объект(участок дороги)Точечный объектТехническийучастокЛогическийучастокНедвижимостьЗнакПротяженноесооружениеВодопропуск.трубаМост,переправаПлощаднойобъектПолосаотвода...........................Рис. 1. Обобщенная классификация дорожных объектовАвтомобильная дорога состоит из объектов трехвидов: протяженных (участков), точечных и площад-ных. Под участком или объектом будем понимать та-кое сооружение или протяженный фрагмент дороги,логический или технический, который исполняет оп-ределенный набор функций либо представляется вопределенном качестве, может фигурировать в этомкачестве как единое целое и при этом может быть це-ликом заменен на аналогичный. Необходимым требо-ванием к участку и объекту является его необходи-мость с информационно-аналитической точки зрения.Так, например, в ряде практических случаев пред-ставляется важным рассматривать такие мелкие объ-екты, как слои дорожной одежды, детали пролетамоста, а в ряде случаев - нет.Для качественного разделения объектов по клас-сам и наиболее простого и в то же время полного опи-сания, удобного для анализа, необходимо выработатьединую методику абстракции конкретных сущностейреального мира на основе унификации их параметрови функций.ОБЪЕКТЫ СЕТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГМы уже выделили примерную структуру объект-ной иерархии и теперь можем привести общие поло-жения по разделению конкретных сущностей по этимклассам. Начиная с самого верха, выделим абстракт-ный объект дорожной сети. Самыми общими его чер-тами будут: принадлежность титулу, расположение,тип (принадлежность к тому или иному виду сущно-стей), состояние.Набор возможных состояний будет расширятьсяпо мере конкретизации описания объекта, списка объ-ектов, находящихся в его составе. Самыми общимифункциями будут: изменение состояния объекта, до-бавление нового объекта в состав данного, исключе-ние определенного объекта из состава (рис. 2).Объект дорожной сетиСостояниеТитул,расположениеТип объекта1 2 3 ... ... ... NИзменениесостоянияДобавитьпод-объектУдалить под-объект...Список под-объектовСвойства ФункцииРис. 2. Абстрактный объектНа следующем уровне абстракции рассмотрим та-кие объекты, как линейно-протяженные объекты(участки), строительные сооружения и другие точеч-ные объекты (знаки, трубы и т.п.). Рассмотрим участ-ки. Непрерывная и перекрывающаяся цепочка участ-ков физически представляет собой дорогу. Участокимеет начало, конец, геометрическое описание, а так-же специфические для данного типа участка парамет-ры (рис. 3).УчастокДлина,расположениеСтроительнаяспецификацияГеометрияОценкастоимостиСвойства ФункцииУточнениегеометрииОценка износаВедомственнаяпринадлежность Инвентарный отчетСпецифическиесвойстваСпецифическиефункцииРис. 3. Абстрактный участокТЕМПОРАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕТемпоральное моделирование распадается на двезадачи: отслеживание технологических событий (мо-делирование жизненного цикла: событий, дефектов иработ); отслеживание и архивирование изменения па-раметров. Для этого предлагается использовать сле-дующие модели.Основным объектом для описания жизненногоцикла объекта дороги будет событие. Событие - лю-бое действие, производимое системой управления надобъектом. Это могут быть измерения характеристик,ремонтные работы и другие действия - в зависимостиот типа события (рис. 4).СобытиеДата, время,продолжительностьСвойства ФункцииНачалособытияИсполнители1 2 3 ... ... NДефекты1 2 3 ... ... NРаботы1 2 3 ... ... NИзмерения1 2 3 ... ... NОбъектОкончаниесобытияОбнаружениедефектаУстранениедефектаВыполнениеработыТип событияОтчет особытииРис. 4. Событие жизненного циклаЛюбая информация об изменении состояния объ-екта появляется при проведении очередного события.Это может быть информация об обнаруженных и уст-раненных дефектах, изменении характеристик объек-та, зафиксированных в результате измерений.Фактически событие состоит из работ. Это могутбыть ремонтно-восстановительные работы, работы посодержанию, по измерению параметров и т.п. (рис. 5).Функция «Окончание работы» может вызвать функции«Обнаружение дефекта» и «Устранение дефекта» у со-бытия, в составе которого происходит работа. Функции«Начало работы» и «Окончание работы» вызываются изфункции события «Выполнение работы».РаботаТрудозатратыСвойства ФункцииНачалоработыМатериалозатраты1 2 3 ... ... NСобытиеОкончаниеработыВид работыОтчет оработеРис. 5. Абстрактная работаДефекты обнаруживаются в ходе выполнения работ.Некоторые из них могут быть устранены прямо в ходевыполнения работ события, а некоторые могут остатьсянеустраненными в течение некоторого времени. В соот-ветствие с типом дефекта должна осуществляться авто-матическая выдача рекомендаций, которая будет авто-матически генерировать планы работ (рис. 6).ДефектДата устраненияСвойства ФункцииОбнаружениедефектаСобытиеУстранениедефектаТип дефекта ВыдачарекомендацийРис. 6. Абстрактный дефектИзмерения значений параметров предлагается мо-делировать при помощи объекта, изображенного нарис. 7. Здесь находит отражение также такая инфор-мация, как условия проведения измерений, что частоявляется важным.ИзмерениеИзмеряемаявеличинаСвойства ФункцииИзмерениеСобытиеИзмеренноезначениеУсловия измеренийРис. 7. Абстрактное измерение параметраНа рис. 8 изображены жизненные линии работ,дефектов, параметров некоторого объекта дорожнойсети. Данная информационная структура позволяетрешать обе задачи - отслеживание событий и измене-ния параметров.Событие 11.03 - 8.03Работа 1Работа 2Работа 3Дефект 1Измерение 1Дефект 2Событие 210.03 - 12.03Работа 4Работа 5Измерение 2Событие 31.04 - 3.04Работа 6Работа 7Измерение 3t, сут1.038.0310.0312.031.043.04 Значение измеряемого параметраРис. 8. Фрагмент жизненного цикла объектаER-МОДЕЛИРОВАНИЕПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИВ настоящее время при моделировании структур базданных одной из наиболее распространённых нотацийявляется модель данных Entity-Relation (Сущность-Cвязь) [7]. При ER-моделировании в предметной облас-ти выделяются определенные классы реальных или ло-гических объектов, называемые сущностями. Далее ме-жду сущностями устанавливаются различные связи ивзаимозависимости, которые называют отношениями.Основной сущностью является Дорожный объект,принадлежащий некоторому Титулу. Для титула опре-делены важнейшие обобщенные показатели: наимено-вание, шифр, статус, уровень содержания. С титуломсвязаны Права землепользования, относящиеся к нему.Дорожные объекты подразделяются на Участкидороги, Дорожные знаки, Водопропускные трубы,Паромные переправы и мосты. В свою очередь, Не-движимость является базовой сущностью для АЗС иАвтобусной остановки. В состав Мостового соору-жения входят Пролеты.Модель Дорожного знака представляет тип знака,расположение относительно оси дороги и текст (длязнаков индивидуального проектирования и знаков,имеющих текст).Модель Водопропускной трубы представляет па-раметры трубы, схему, данные по укреплению.Рассмотрим линейно-протяженные объекты - уча-стки. Участки дороги подразделяются на логические ифизические. Логические участки (Районный участокдороги, Участок обслуживания, Категорийный уча-сток, а также Участок проведения работ, не представ-ленный отдельной сущностью) отражают разделениедороги на логические участки по некоторому признаку.Физические участки (Участок проезжей части,Участок слоя дорожной одежды, Участок дорожногопокрытия, Участок обочины, Переходно-скоростнаяполоса, Полоса отвода, Ограждение, Водоотведение,Снегозащитное сооружение) представляют реальныепротяженные объекты либо участки дороги, имеющиеодинаковые на своем протяжении параметры.Среди участков следует особо выделить Межузло-вой участок, представляющий собой ребро графа до-рожной сети. Цепочка соединенных в узлах межузло-вых участков представляют собой непрерывное пред-ставление титула в дорожной сети. Данная формапредставления позволяет описывать титулы с подъез-дами, входящими в титул, съездами и несколькимивариантами самого титула. Все объекты дорожной се-ти привязываются к межузловым участкам для точно-го определения местоположения объекта в сети.Для представления жизненного цикла дорожногообъекта используется сущность Событие, имеющеедаты начала и окончания, тип, а также описывающийдокумент (акт, отчет и т.п.). Для события указываетсяорганизация, исполнившая данное событие. В составесобытия имеются Работы, Дефекты (выявленныеи/или устраненные), а также Результаты измерений.Данная модель позволяет непротиворечиво описы-вать объекты дороги, титулы и дорожную сеть в це-лом. Модель предоставляет возможности отслежива-ния жизненного цикла дорожных объектов, веденияархивов документов по объектам и их эксплуатации,правам землепользования. Модель создана таким об-разом, что позволяет проводить дальнейшее ее рас-ширение, добавляя новые сущности, описывающиеновые типы дорожных объектов и участков. При этомони будут вписываться в существующую иерархию,что позволит избежать противоречий и дублирования.МОДЕЛЬ ДОРОЖНОЙ СЕТИНа основе приведенных выше моделей строитсяцелостная модель дорожной сети. В данное построе-ние входят, во-первых, титулы, во-вторых, участки, изкоторых они состоят. На основе предложенных ме-жузловых участков строится связанный граф дорож-ной сети. Дорожная сеть может быть подразделена натерриториальные сети путем выделения титулов илиих участков, расположенных в соответствующих ре-гионах или районах. Аналогичным образом сеть под-разделяется на сети, обслуживаемые ДРСУ, принад-лежащие некоторым ведомствам и т.п. (рис. 9).Регион 1Титул 1Титул 2Титул 3Регион 2Рис. 9. Выделение территориальных сетейОБЗОР ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТА-ЦИЕЙВ процессе эксплуатации дорог перед системойуправления встает целый ряд задач [11]. Рассмотримосновные прикладные задачи, встающие при управле-нии (рис. 10).Задачи управления дорожнойсетьюЗадачипространственногомоделированияВедение схемВедение карт и плановрасположения дорогМоделирование профилейЗадачи моделированияжизненного циклаОтслеживание иархивированиепараметров дорогОтслеживание иархивированиетехнологических событий,данных о дефектахЗадачиинвентаризации,паспортизации, учетаИнвентаризация фондовПаспортизация дорогУчет расхода материалови ресурсовЗадачиинформационногообеспеченияГенерация отчетов, справокПространственные иатрибутивные запросыФормирование планов работРасчетные задачианализа и управленияРасчеты транспортныхпотоковТехнологические расчетыТопологические расчетыОптимизационныерасчетыЗадачи предпроектногоанализаРасчеты транспортныхпотоковРасчеты календарныхизменений нагрузкиРасчеты нагрузок ипотребностейРис. 10. Классификация задач управленияРассмотрим задачи инвентаризации, паспортиза-ции и учета. В литературе подробно описаны кон-кретные способы и методические указания по инвен-таризации, паспортизации и учету [12]. Данный классзадач является базовым в управлении дорожными се-тями. Обобщая различные подходы к инвентаризации,можно выделить следующие характерные черты. Во-первых, целью инвентаризации является точное опре-деление наличия объектов, участков дороги; их уни-кальная идентификация. Другой целью инвентариза-ции является выяснение состояния объектов. Инвен-таризация - непрерывный процесс, происходящийпри вводе в строй новых объектов и участков, обсле-довании эксплуатируемых и ликвидации старых. Этотпроцесс тесно связан с паспортизацией дороги и ееобъектов.Дорожные сети, как один из классов инженерныхсетей, представляют собой пространственные объек-ты, имеющие, как правило, достаточно крупные мас-штабы. Рассмотрим виды пространственной инфор-мации о дорогах и сферы ее применения:- Планы расположения дороги и объектов на мест-ности. Данная информация необходима для эксплуа-тационных бригад, для планирования строительства,согласования целого класса работ, экологическогоанализа, взаимодействия со смежными землепользо-вателями, анализа близости различных объектов наместности и объектов сетей, для проведения различ-ного вида расчетов.- Геометрические профили дороги.Планы расположения дороги и объектов основы-ваются на картах и планах территорий, на которыхпроложена сеть, или, иными словами, топооснове.Топооснова должна иметь точность, необходимуюдля привязки к ней объектов сети. Для решения зада-чи построения профилей также необходима информа-ция о рельефе местности.Задачи предпроектного анализа зачастую встаютво время эксплуатации. К ним относятся расчеты на-грузок и транспортных потоков, календарных и часо-вых графиков их изменения. Особенностью расчетанагрузок и транспортных потоков является то, что вряде случаев невозможно заранее точно их опреде-лить. В этом случае применяется использование типо-вых оценок для различных ситуаций и более тонкиеметоды моделирования. Расчет календарных и суточ-ных графиков нагрузок необходим, так как они силь-но зависят от времени года и суток.Задачи моделирования жизненного цикла дорогиможно разделить на три основных вида. Это задачимоделирования технического состояния дороги, объ-ектов и событий во времени, задачи отслеживания ха-рактеристик во времени, задачи отслеживания конфи-гурации сети во времени.Задача моделирования технологического состоя-ния оборудования и событий формулируется сле-дующим образом. Для всех видов объектов требуетсяиметь полную информацию:- о дефектах, времени их обнаружения и устранения;- о регламентных и ремонтно-восстановительныхработах, времени их проведения, исполнителях дан-ных работ;- о динамике изменения остаточного ресурса.Расчетные задачи анализа и управления включаютв себя расчеты транспортных, грузовых и пассажир-ских потоков, анализ дорожно-транспортных проис-шествий, а также расчет нагрузочных способностейдорог в различные сезоны. Большинство из данныхвидов расчетов имеют прямое практическое значение.ОКРУЖЕНИЕ АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИСеть автомобильных дорог не существует сама посебе, она является следствием потребностей окру-жающего мира в транспортных услугах. Для целост-ного системного анализа нам также потребуется оп-ределить ближнюю и дальнюю среду, а также круглиц, принимающих жизненные решения.Ближней средой сети автомобильных дорог явля-ются объекты, явно взаимодействующие с сетью: ав-тотранспорт, грузы и пассажиры, персонал обслужи-вающих организаций и территориальные объекты, натерритории (или в непосредственной близости) кото-рых пролегают дороги, например регионы, населен-ные пункты, инженерные сети, объекты гидрографиии т.п. (рис. 11).Дальней средой сети автомобильных дорог явля-ются объекты, неявно или опосредованно взаимодей-ствующие с сетью: органы власти той территории, накоторой располагается сеть дорог; общество, чьи по-требности выполняет сеть дорог и чей уровень жизниона должна поддерживать; природа, которая несетэкологическую нагрузку от взаимодействия с дорога-ми; культура, в рамках которой дороги выполняютутилитарную роль и являются объектом ее внимания[11,12].СетьавтомобильныхдорогТранспортГрузы ипассажирыПерсоналТерриториальныеобъектыОбществоОрганы властиПриродаКультураБлижняя среда Дальняя средаРис. 11. Окружение сети автомобильных дорогТРЕБОВАНИЯ К ИНФОРМАЦИОННОЙ СИС-ТЕМЕНа основе всего вышесказанного авторы формули-руют следующие требования, предъявляемые инфор-мационной системе. Система должна обеспечивать:- оперативное получение информации об автомо-бильных дорогах в любой части интересующей терри-тории (город, район, регион);- совместное представление автомобильных дороги различных территориальных объектов, инженерныхсетей на едином плане (топооснове);- информационное обеспечение для планированияработ по реконструкции и ремонту дорог;- полное отслеживание дефектов, работ по содер-жанию и ремонтно-восстановительных работ;- контроль сроков и качества выполнения работ;- отслеживание остаточного ресурса и стоимостиобъектов автомобильных дорог;- ведение архива документов по всем объектам се-ти и по эксплуатационным событиям;- автоматизация формирования текущих докумен-тов и выходных форм отчетности;- формирование исходных данных для расчетно-аналитических программных средств.АРХИТЕКТУРАИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫВ основе информационной системы лежат пред-ложенные выше модели предметной области. Здесьмы остановимся на их реализации в рамках информа-ционной системы IndorInfo/Road.В качестве сервера для хранения данных исполь-зуется СУБД Microsoft SQL 2000.Клиентская часть предоставляет высокоуровневыесредства для работы с объектами, организованными ввиде дерева (рис. 12). Здесь отображаются титулы исоставляющие их объекты: участки (линейно-протя-женные объекты, такие, как участки обслуживания,прохождения по районам, участки проезжей части ит.п.), и точечные объекты, такие, как дорожные знаки,автобусные остановки, водопропускные трубы и т.п.Они сгруппированы по каждому титулу в соответст-вующих папках.Редактирование осуществляется при помощиформ, которые вызываются для выделенногоРис. 13. Водопропускная трубаРис. 14. Информация по событиям с объектомРис. 15. Документы по объектуРис. 16. Представление геометрии дороги и объектовЗАКЛЮЧЕНИЕПредложенные авторами информационные моде-ли позволяют строго, структурированно и непроти-воречиво описывать предметную область. Элементытемпоральности, введенные в модели, универсальныи достаточны для описания движения автомобиль-ных дорог, динамики изменения их параметров, де-фектов, а также для ведения эксплуатационной ин-формации.На основе проведенного обзора задач и проблемпредметной области сформулированы требования кинформационной системе и предложена архитектура еепостроения. Данные модели, требования и архитектурабыли успешно применены при построении информа-ционной системы IndorInfo/Road, разработанной вООО «ИндорСофт» (г. Томск). Продукт отличаетсябольшой открытостью, логичностью работы и нагляд-ным представлением информации. Система IndorInfo/Road прошла практическую апробацию в ряде пред-приятий отрасли.

Скачать электронную версию публикации