Программные продукты и системы

В работе [1] для решения задач визуализации сложной графической информации была предложена структура программно-аппаратного комплекса. Там же был введен термин "mono-план" как обобщение понятий "картографический)'топографический план", "топология слоя печатной платы" и других.

Обработка графических изображений сложной структуры типа топоплан, как правило, сопровождается и дополнительной текстовой, аудио- и видеоинформацией, что особенно важно для ситуационных информационных систем. Под ситуационными информационными системами будем понимать такие автоматизированные системы, которые собирают, обрабатывают, хранят информацию неоднородной структуры, которые способны проводить анализ и синтез имеющихся данных как в ON-, так и в OFF-line режимах, а в случае необходимости проводят вычислительный эксперимент, экспертную оценку и визуализируют полученную информацию в целях содействия принятия эффективных решений в различных нестандартных ситуациях.

В настоящей работе описываются концепции построения и организация работ по созданию специальной автоматизированной распределенной системы обработки топопланов (АРСОТ), предназначенной для оперативного решения задач, (например по обеспечению картографической и справочной информацией) в наглядной информативноемкой форме для принятия решений.

Специальная АРСОТ служит для повышения оперативности решения задач и информационного обеспечения с использованием современных компьютерных технологий обработки графической информации, электронных карт, проблемно-ориентированных топологических и справочных баз данных (БД).

Система типа АРСОТ должна предоставлять пользователю следующие возможности.

1) Решение задач, связанных с одновременным и раздельным использованием топологической базы данных (ТБД), справочной базы данных (СБД) и базы условных графических знаков (БУГЗ).

2)   Визуализацию топологической и справочной информации на экранах (мониторах) индивидуального и коллективного пользования различной разрешающей способности для воз можных категорий пользователей.

3)   Формирование, ведение, хранение боль ших объемов топологической и справочной информации и передачи ее между территориально удаленными разнотипными рабочими местами.

4)   Обеспечивать надежность функционирования и защиту данных и программ от несанкционированного доступа.

5)   Поддерживать аппаратную, программную и информационную неоднородность создаваемой системы.

Вышеизложенное обусловливает следующую концепцию построения АРСОТ.

•   Многоуровневая структура построения технического, программного и информацион ного обеспечения, ориентированная на реали зацию различных классов задач для возможных категорий пользователей.

•   Реализация на базе неоднородной территориально распределенной сети ЭВМ.

•   Использование различных методов инте грации неоднородных аппаратных, программ ных и информационных средств для обеспече ния их эффективного совместного использования.

•   Прменение аппаратных и программных средств для обеспечения надежности функ ционирования системы и разграничение доступа различных категорий пользователей к программным средствам и БД.

Для выполнения разработанных требований необходимо:

•       решить задачи информационного пред ставления с использованием проблемно-ориен тированных ТБД и СБД;

•       определить состав и разработать струк туру неоднородных БД (включающих ТБД, СБД и библиотеки условных знаков);

•       отработать технологические процессы формирования, ведения и использования неод нородных БД (включающих ТБД, СБД и би блиотеки условных знаков);

•       реализовать функции мобильного пор тативного автоматизированного рабочего мес та (МПАРМ) для решения специальных задач информационного обеспечения оперативных служб пользователя;

•       обеспечить нанесение условных знаков и формирование оперативной обстановки на то пологическую основу;

•       предоставить пользователям возмож ность формировать ТБД с твердого носителя;

•       обеспечить обработку запросов пользо вателей в СБД и отображение результатов на

топологическом фоне.

В состав информационного обеспечения (ИО) входят:

•       ТБД, обеспечивающая поиск заданного региона планшетов (карт) в заданном масштабе в растровом виде;

•       СБД, содержащая характеристики опре деляющих топологию объектов и обеспечи вающая поиск в БД по логическим запросам;

•       библиотека условных знаков, ориенти рованная на предметную область разрабаты ваемой ГИС;

•       система классификации и кодирования, обеспечивающая однозначную идентификацию и классификацию объектов в ТБД, СБД и гра фических БД;

•       система входных и выходных докумен тов, включающих необходимые исходные дан ные для обеспечения функционирования АР- СОТ.

Распределенные БД АРСОТ

В соответствии с общей структурой АРСОТ как многоуровневой территориально распределенной системы БД АРСОТ являются распределенными. Распределенные БД (РБД) включают три уровня БД: центральные, локальные и мобильные. Состав БД определяется прикладными задачами, решаемыми на каждом уровне. Кроме того, центральные БД содержат структурную информацию (метаинформацию) о размещении БД по РБД в целом.

РБД по содержанию разбиваются на ТБД, СБД, БУГЗ, базы аудио- и видеотеки (БАВТ).

Каждая из перечисленных БД служит для решения определенного класса задач, кроме того, они могут быть использованы совместно для решения комплексных задач.

Каждая из БД имеет свою структуру и поддерживается соответствующей системой управления БД (СУБД). Таким образом, РБД АРСОТ в целом является гетерогенной (неоднородной) БД. Соответственно СУБД РБД АРСОТ в целом также является гетерогенной. Для управления РБД АРСОТ используется интегрированная система управления БД (ИСУБД), которая позволяет управлять РБД в части поддержки и манипулирования глобальных структур РБД.

Распределенная ТБД (РТБД) включает ТБД трех уровней.

•    Центральную ТБД (ЦТБД).

В нее входят ТБД всех регионов и проблемных направлений во всех масштабах и различных степенях топологической нагрузки. ЦТБД осуществляет обеспечение прикладных задач верхних уровней руководства АРСОТ, служит центральным хранилищем эталонных электронных атласов топопланов для передачи на локальные и мобильные объекты АРСОТ.

•   Локальные ТБД (ЛТБД).

В ее состав включаются ТБД соответствующих регионов. ЛТБД служат для топологического обеспечения региональных служб АРСОТ. ЛТБД связаны с ЦТБД через вычислительную сеть по каналам связи.

•   Мобильные ТБД (МТБД).

МТБД включают в состав ТБД для топологического обеспечения оперативных служб АРСОТ, выполняющих определенные задачи в соответствующем регионе, следовательно, они имеют целевое наполнение в зависимости от поставленных оперативных целей и задач. Подготовка (наполнение) МТБД осуществляется в ЦТБД или ЛТБД с использованием сетевого матобеспечения. МТБД динамически изменяются и пополняются в зависимости от изменения целей и задач оперативных служб АРСОТ.

Распределенная СБД (РСБД) так же, как и

РТБД включает три уровня БД.

•   Центральная СБД (ЦСБД), в которую входит описание характеристик топологических объектов ЦТБД, необходимых для реше ния прикладных справочно-информационных задач верхнего уровня руководства АРСОТ. ЦСБД выполняет также роль эталонного хра нилища СБД для обеспечения локальных и мобильных объектов АРСОТ.

•  Локальные СБД (ЛСБД), которые включают описания топологических объектов ЛТБД и служат для решения прикладных задач спра- вочно-информационного характера для соответствующих региональных служб АРСОТ.

•   Мобильные СБД (МСБД), являющиеся СБД соответствующих МТБД. Они формиру ются для решения задач оперативных служб АРСОТ. МСБД динамически обновляются и наполняются по мере изменения целей и задач оперативных служб АРСОТ.

Пользователю предоставляется возможность временного изменения состава центральных, локальных и мобильных БД для решения крупных (стратегических и тактических) операций с использованием сетевого матобеспечения.

БУГЗ служат для формирования на топологическом фоне некоторой графической обстановки, отображающей определенную ситуацию, явление, включая краткие текстовые пояснения этой обстановки. БУГЗ, как правило, формируется заранее по набору графических символов, принятых в данной предметной области или в прикладной задаче. БУГЗ может формироваться также в интерактивном режиме при работе с электронными топопланами по мере необходимости. Элементы БУГЗ могут быть вызваны из библиотеки, размещены на планшете, перемещены, повернуты, расположены на экране и удалены с него. БУГЗ может использоваться как отдельная графическая система для решения определенного класса прикладных задач.

В состав РБД APGOT входят БАВТ, которые включают аудио- и видеозаписи, являющиеся докладами и сопровождающими документальными фильмами, дополнительно раскрывающими и описывающими соответствующие характеристики объектов, их свойств, событий, явлений. БАВТ помогают в информативноемкой форме выполнять задачи и принимать соответствующие решения. Функционирование БАВТ снабжается и синхронизируется соответствующим программным обеспечением (ПО) РБД АРСОТ.

Формирование ТБД осуществляется путем сканирования с планшетов топопланов на твердой основе. Полученные в результате сканирования топопланы подвергаются постобработке с использованием программного обеспечения компенсации погрешностей исходных карт и процессов сканирования и для разложения исходных данных на соответствующие слои с целью использования в различных прикладных задачах.

Формирование растровых топопланов может осуществляться путем считывания и разложения по слоям уже имеющихся исходных растровых материалов.

ПО АРСОТ должно обеспечивать наращивание программных средств для расширения состава обрабатываемой в системе информации и перечня реализуемых функций.

В состав программного обеспечения входят:

-   общее программное обеспечение (ОПО);

-   специальное программное обеспечение (СПО).

ОПО представляет совокупность программных средств, предназначенных для организации и реализации информационно-вычислительного процесса.

При разработке или адаптации ОПО необходимо обеспечить:

•       стандартизацию методов доступа и ин терфейсов;

•       технологичность процесса наращивания функциональных возможностей отдельных МПАРМ и АРСОТ в целом.

В состав ОПО входят:

•       сетевая операционная система (ОС);

•       операционные системы АРМ;

•       пакеты программ и отдельные системные программные средства (драйверы, экранные и принтерные шрифты и т.д.).

СПО предназначено для реализации автоматизируемых функций должностных лиц пользователя, а также для решения информационных и расчетных задач.

СПО АРСОТ включает:

•    комплексы программ обработки исходных данных, формирования, ведения, обработки запросов и визуализации ТБД;

•       комплексы программ обработки исходных данных загрузки, ведения, обработки запросов и отображения информации СБД и библиотек условных знаков.

•       комплексы программ интеграции неоднородных БД (БКД, СБД, БУГЗ)

ПО АРСОТ должно обеспечивать включение и наращивание программных средств для расширения состава обрабатываемой в системе информации и перечня реализуемых функций.

Защита информации от несанкционированного доступа (НСД) в комплексе технических средств обеспечивается на следующих уровнях:

-  входа пользователей в ПЭВМ;

-  коллективных ресурсов файлового сервера ЛВС;

-  обмена данными по каналам связи.

Для управления средствами защиты информации в составе АРСОТ должны быть организованы автоматизированные рабочие места администратора безопасности информации (АРМ АБИ). Рабочие места оснащаются специальными средствами подготовки и ведения параметров опознания, разграничения доступа, регистрации и криптографической защиты данных.

ПО РБД АРСОТ включает:

•   интегрированную систему управления БД (ИСУБД);

. СУБД ТБД;

. СУБД СБД;

•    СУБД БУГЗ;

•    СУБД БАВТ.

Система управления базами данных (СУБД)

ТБД является программным компонентом ПО специальной АРСОТ, предназначенным для управления топологической информацией.

СУБД РТБД обеспечивает обработку информационных запросов конечных пользователей по обеспечению топологической информацией в удобной и наглядной форме для принятия соответствующих решений.

СУБД топологической информации обеспечивает интерактивное взаимодействие конечных пользователей с ТБД с использованием терминальных устройств алфавитно-цифрового и графического типа на непроцедурном языке высокого уровня в режиме диалога с использованием функциональной клавиатуры терминальных устройств в соответствии с определенным сценарием диалога или в режиме выбора заранее запрограммированных функций из последовательно детализируемого меню.

Базы топологических данных предназначены для формирования, обработки и отображения необходимой топологической информации заданной области топоплана. ТБД используются также в моделирующих системах для решения отдельных расчетных задач, использующих информацию о топоплане.

РТБД имеют многослойную структуру данных, в соответствии с объектным составом, определенным для соответствующего вида топоплана. Слои состоят из таких массивов формализованных выделенных данных, как выделенные множества, не обязательно односвязные, границы множеств, отдельные контуры и т.д.; метрическая и другая количественная информация; символьная (текстовая) информация и другая специальная проблемно-ориентированная информация о топоплане.

РТБД включает ЦТБД, ЛТБД и МТБД.

Функции и структуру СУБД РТБД определяют следующие специфические особенности задач АРСОТ:

•       аппаратная, программная и информационная неоднородность системы в целом;

•       распределенность банка топологической информации, включающего ЦТБД, в котором осуществляется ведение БД для обеспечения функционирования АРСОТ в целом, конечного множества ЛТБД, в которых осуществляется хранение и обработка текущей топологической информации отдельных частей топопланов и МТБД, включающих необходимую информацию для решения определенных задач обработки и анализа заданных подмножеств топоплана;

•       совместная и раздельная обработка ин формации топоплана, оперативной топологи ческой информации и справочных данных;

•       повышенные требования к быстродействию системы в целом и к обработке запросов пользователей;

•       наличие развитых языковых и программных средств конечного пользователя;

•       необходимость хранения, ведения, обработки и визуализации топологических данных различного типа, имеющих специфические структуры, не поддерживаемые существующими СУБД;

•       большие объемы хранимой и передаваемой в АРСОТ информации;

•       повышенные требования к надежности, целостности и времени восстановления ТБД.

СУБД ТБД включает следующие компоненты:

•       язык описания данных;

•       средства определения, манипулирования и управления данными;

•       интерфейсы с языками программирования;

•       средства загрузки данных;

•       средства форматирования, вывода и отображения информации БД;

•       средства копирования и восстановления БД;

•       средства реорганизации БД;

•       средства восстановления вычислительного процесса и обеспечения целостности БД;

•       средства сбора статистических данных, их обработки и выдачи отчетов о результатах работы системы;

•       средства разработки диалоговых про грамм;

•       средства администратора БД.

Для обеспечения процесса создания ТБД заказчик должен представить исходные данные:

•       о модели внешнего мира, включающей исследуемую предметную область; эти данные должны содержатся в соответствующей норма тивно-технической документации.

•       об информационных запросах пользователей проектируемой ТБД.

Процесс создания баз данных состоит из следующих этапов:

•       построение концептуальной модели предметной области;

•       построение логической структуры БД;

•       построение физической структуры БД;

•       формирование исходных данных и за грузка БД;

•       экспериментальная эксплуатация БД и анализ эксплуатационных характеристик;

•       реорганизация структур БД для достижения оптимальных эксплуатационных харак теристик БД.

Логическая структуризация БД определяется в три этапа.

1.    Глобальная логическая структуризация. На этом этапе синтезируется общая (глобальная) логическая структура, не ориентированная на определенную базовую СУБД. Глобальная логическая структура является модельно неод нородной.

2.    Разбиение глобальной логической струк туры на однородные блоки (отделения, БД);

3.    Синтез логических структур ЛБД в среде однородных базовых СУБД.

Задачей проектирования логических структур является разработка СУБД-ориентированной схемы, которая удовлетворяет всем требованиям пользователей, начиная с требований целостности и непротиворечивости проектируемой БКД и кончая показателями эффективности функционирования при ее расширении и усложнении.

Основой для выполнения этапов проектирования логических структур баз данных служит концептуальная модель. Задачи проектировщиков заключаются в том, чтобы сформировать СУБД-ориентированную схему БКД, изоморфную относительно концептуальной схемы. Для этого необходима дополнительная информация по характеристикам модели данных конкретной базовой СУБД.

Процесс логического проектирования включает следующие основные этапы:

•        определение локальных информацион ных структур и их объединения (анализ требо ваний обработки с целью выявления семантики данных, идентификации источников их выбор ки или обновления, а также конкретных дан ных, подлежащих выборке или обновлению);

•        проектирование подсхем (проектирова ние интерфейса схемы с прикладными про граммами);

•        проектирование прикладных программ;

•        оценка характеристик схем (количест венная оценка логической структуры на основе эффективности функционирования БД).

Самым нижним уровнем представления БД является физический уровень. Основное влияние на эксплуатационные характеристики проектируемой базы оказывает физическая организация данных (на этом уровне осуществляется ее привязка к физической памяти). Структура физической БД включает: формат хранимой записи, пути доступа и размещение записей на физических устройствах.

Наиболее важными проблемами при проектировании БД являются целостность, восстанавливаемость, безопасность, эффективность, оценка предполагаемого роста БД при эксплуатации и последующих наработках. Эти проблемы можно сгруппировать так:

1) целостность, согласованность, восстанавливаемость;

2)безопасность;

3) эффективность, рост, размер, эксплуатационные ограничения.

Первая группа отображает требования пользователей и состоит из ограничений, которых должен придерживаться проектировщик. Остальные две группы предоставляют ему некоторую свободу для выполнения этих требований.

Любая БД удовлетворяет свойствам целостности, если удовлетворяет определенным ограничениям значений данных и сохраняет это свойство при последующих модификациях (удаление, добавление, замена) БД.

СУБД СБД обеспечивает обработку информационных запросов пользователей по обеспечению справочной информацией в удобной и наглядной форме.

В качестве типовой СУБД, непосредственно применяемой конечными пользователями, можно использовать такие СУБД, как ORACLE игаг INFORMIX.

Интегрированная СУБД (ИСУБД) предназначена для управления неоднородными БД, включаемых в интегрированную БД АРСОТ. ИСУБД включает главный монитор и трансляторы (конверторы) неоднородных БД. ИСУБД позволяет на языке однородного меню обращаться и манипулировать различными (неоднородными) БД.

СУБД БУГЗ предназначена для формирования, ведения и манипулирования БУГЗ. СУБД БУГЗ является самостоятельной компонентой ПО АРСОТ, которая может быть использована для формирования, ведения и манипулирования графическими знаками для решения прикладных задач.

СУБД БАВТ предназначена для управления БАВТ. Функционирование СУБД БАВТ синхронизируется ИСУБД.

Для обеспечения работы с обстановками на топопланах используется комплекс программных средств - графический редактор, обеспечивающий:

•       автоматизированное нанесение графических и текстовых данных (обстановки) на топопланы как на электронные, так и на их твер дые копии (цифровые, бумажные) различных масштабов и проекций;

•       редактирование, внесение этих данных в интегрированные БД, отображение обстановки, хранящейся в БД на фоне карты,

•       обобщение обстановки по различным объектам учета на картах различного масштаба,

•       выделение при отображении требуемых элементов обстановки,

•       обмен обстановкой с удаленными або нентами в специальном координатно-кодовом виде, позволяющем наиболее экономно исполь зовать каналы связи.

Редактор работает с двумя вариантами графического изображения топоплана: растровая карта - побитовая копия изображения с экрана; векторная карта - векторизованная копия изображения (объекты); а также с двумя типами топопланов: карты, создаваемые пользователем в процессе работы и топопланы специальных масштабов.

Векторизованная карта - это векторное представление топоплана, состоящее из последовательности стандартных элементов и их координат на экране. Стандартные элементы -это линии, прямоугольники, дуги, сплайны, окружности, а также стандартные условные знаки. Эти элементы наносятся на карту, корректируются пользователем.

В редакторе используется перекрывающееся меню, состоящее из следующих разделов:

•       меню для чтения/записи файлов карт, файлов оперативной обстановки и чтения фай лов условных знаков.

•       меню для работы с библиотекой стандартных условных знаков оперативной обстановки.

•       меню для рисования стандартных и произвольных элементов оперативной обстановки.

•         меню для масштабирования карт. Ниже мы остановимся на отдельных особенностях режимов рисования элементов оперативной обстановки и масштабирования.

При рисовании, редактировании линий и других объектов, нанесении знаков предварительно визуализируется топоплан. Если объект размещается и за областью экрана, то он визуализируется и за экраном. При этом проводится проверка - попадает ли объект на соседние топопланы, в положительном случае объекты, попавшие на эти топопланы визуализируются на них с пересчетом экранных координат.

Аналогично производится графическое отображение расчетных задач. Расчетные задачи выполняются заранее или, если это возможно, в фоновом режиме. В качестве примера опишем режим рисования сплайнов по файлу расчетных данных. Пользователь работает с редактором в диалоговом режиме, отвечая на все поставленные вопросы, касающиеся способа рисования (например Рисовать весь расчет или по одному сплайну, Выбрать цвет, толщину, заливать ли контур и т.д.). Если построенный сплайн не удовлетворяет пользователя, то на вопрос "Изменить ли порядок обхода" необходимо дать утвердительный ответ. В этом случае будет построен тот же сплайн, но с другой начальной точки. Процедуру можно выполнять до тех пор, пока сплайн не удовлетворит пользователя. Редактор позволяет избавиться от всех, кроме последнего, построенного таким образом сплайна. После отрисовки последнего сплайна на экране появляется соответствующее сообщение.

Режим масштабирования используется для того, чтобы перейти от топоплана одного масштаба к топоплану другого масштаба. Объекты оперативной обстановки изменяются в соответствии с масштабом увеличения. Принцип масштабирования следующий: при указании курсором точки на экране в программе срабатывает алгоритм пересчета, в котором экранные координаты всех объектов пересчиты-ваются от левого верхнего угла визуализированного масштаба. Далее по величине этого расстояния определяется номер расширения для топоплана нового масштаба, который визуализируется, по реальному расстоянию определяются экранные координаты на новом масштабе, и объекты перерисовываются по новым координатам. Таким образом, происходит "масштабирование" карт и объектов.

Техническое обеспечение АРСОТ представляет сооой трехуровневую систему, включающую следующее.

•       Автоматизированные рабочие места (АРМ) верхнего уровня, которые базируются на ПЭВМ высокой производительности (PC/ AT/486, PENTIUM), включают графические мониторы и системы отображения коллек тивного пользования высокого разрешения.

•       АРМы локальных объектов, базирую щиеся на ПЭВМ средней производительности (типа РС/АТ/386), мониторах и экранах груп пового пользования.

•       Мобильные (портативные) АРМы, кото рые базируются на ПЭВМ класса "notebook". Мобильные портативные АРМы предназначе ны для оперативных служб АРСОТ, решающих задачи с выездом на места или в транспортных средствах.

Взаимодействие АРМов различных уровней осуществляется на базе аппаратных средств сети фирмы Novell.

В комплекс технических средств также входят: ПЭВМ типа PC/AT 386(486) и ПЭВМ класса "notebook", сканеры, модемы, видеоадаптеры (для ввода телевизионного сигнала), аппаратные средства криптозащиты информации.

Предполагается функционирование АРСОТ на базе гетерогенных (неоднородных) сетей ЭВМ, включающей рабочие станции типа SPARC фирмы SUN и высокопроизводительных ПЭВМ, что позволит эффективно сочетать возможности обработки больших объемов и потоков информации в центральном звене и оптимизировать хранение и передачу информации в локальных (региональных) центрах АРСОТ.

Список литературы

1.   Решетников В.Н., Сотников А.Н. Проблемно- ориентированные системы обработки графических изобра жений сложной структуры в задачах визуализации.// Про граммные продукты и системы, 1992.-№ 1. - С. 48-51.

2.    Любимов Б.О. FLEX - семейство аппаратных и программных средств САПР для ПЭВМ.// Программные про дукты и системы, 1993. - № 1. - С. 17-25.

3.    Еременко Г.В. Модифицированный параллеьно-симметричный алгоритм утончения. // Программные продукты и системы, 1994.- № 4. - С. 43-47.

4.    Фазилов З.Н. Программно-аппаратные системы кон троля топопланов слоя печатных плат.// Программные про дукты и системы, 1994.- № 4 - С. 24-27.

5.    Map making today. Proc. of International Seminar ICA, ACI, RAC. Russia, April, 1993.