Software & Systems

Геоинформационные справочные системы (ГИСС) предназначены для хранения и обработки информации с пространственной привязкой. Информационная основа такого типа систем представляет собой неоднородную базу данных, размещенную в компьютерной сети. Сервер ГИСС ориентирован на обработку запросов, содержащих пространственные, временные и семантические параметры. Клиенты ГИСС формируют запросы исходя из визуального способа анализа информации пользователем. Данная особенность характерна для многих прикладных областей, где карты, схемы, планы наряду с автоматической обработкой подвергаются главным образом ручному анализу. Основными операциями здесь являются процедуры управления представлением изображения: наложение слоев, панорамирование, масштабирование, смена видовых экранов, частичная визуализация и т.д. По мере накопления информации возникают объективные трудности осуществления визуального анализа, обусловленные избыточностью получаемой по запросу информации. Одним из возможных путей решения проблемы является использование специальных протоколов взаимодействия клиентов и сервера.

В данной работе анализируется информационный обмен с соединением и без соединения [1] на прикладном уровне ГИСС. Цель анализа – определить для каждого из способов специфичные функции, которые должны реализоваться клиентами и сервером.

Традиционно информационный обмен без соединения предполагает отсутствие этапа установки согласия на взаимодействие и согласование параметров качества обслуживания [1]. На нижних уровнях управления при высокой надежности каналов это позволяет сократить избыточность информации.

На прикладном уровне протокол без соединения приобретает особый смысл, связанный с установлением ограничений, в рамках которых обмен информацией будет проходить с меньшей избыточностью. Важность установления подобных правил обмена на верхних уровнях очевидна, поскольку многократно сокращает объем служебной информации нижних уровней.

Взаимодействие клиентов и сервера ГИСС обладает следующими особенностями. Запрос клиента явно или неявно указывает пространственную, временную и семантическую области отбора данных. Формируя ответ, сервер должен решить задачу максимизации информативности (I) ответа при ограничении на ресурсы (R):

Здесь R – вектор ресурсов системы клиент/сервер, определяемых программными, аппаратными и коммуникационными средствами. Для решения данной задачи должны быть установлены правила определения информативности и оговорены ресурсные ограничения (R0). При отсутствии такого согласования клиент либо не получает ответа из-за невозможности сервером выполнить ресурсные ограничения, либо получает ответ с избыточностью. Таким образом, далее под взаимодействием с соединением будем рассматривать обмен в рамках предварительно согласованных правил определения информативности и ресурсных ограничений.

Взаимодействие клиента и сервера в рамках картографического образа

Богатое содержание карты ГИСС при решении пользователями локальных задач порождает избыточность. Например, при прокладке кабельной линии может рассматриваться только пространственная область между конечными точками соединения, включающая существующие коммуникации; временной диапазон даты постройки инженерных сооружений может устанавливаться приблизительно в пять-семь лет; из всех трубопроводов ограничиваются анализом только магистрали из стальных труб. Необходимая в данном случае информация может составлять лишь незначительную часть от имеющейся в ГИСС. По мере эксплуатации системы этот разрыв усиливается.

Возможным способом преодоления трудностей является концепция картографического образа (КО). В терминологии объектно-ориентированного проектирования КО представляет собой класс объектов, характеризующийся следующим свойствами и методами.

Свойства класса.

·     Визуальные объекты. Представляют собой логическое объединение группы графических примитивов. Строятся на основе картографических в контексте решаемой задачи. Для одного и того же картографического объекта может быть построено несколько визуальных, отличающихся информативностью и сложностью графической реализации. Аналогично множество картографических объектов может быть заменено одним визуальным. Описание визуальных объектов составляется с использованием принципов картографической генерализации.

·     Пространственная, временная и семантическая области. Задаются описанием своих границ явным или неявным способом. В первом случае фиксируются пространственные координаты, временные интервалы или список картографических объектов. Во втором задаются правила формирования границ и опорные объекты (типы объектов), относительно которых строится область.

·     Система предпочтений для визуальных объектов. Представляется упорядоченным по важности списком типов визуальных объектов или набором правил предпочтения.

·     Правила определения информативности образа.

·     Набор отношений между визуальными объектами. Поскольку КО должны подстраиваться под заданные ограничения сложности реализации, им присуща изменчивость. В качестве примера отношений можно привести следующие:

-    отношение представления a. Если x и y объекты, то x a y означает, что визуальный объект х может быть заменен на картографическом изображении объектом y. Данное отношение является отношением эквивалентности;

-    отношение дополнения b. Для пары объектов х и y отношение x b y означает, что объект у дополняет изображение х, являясь второ- степенным. Данное отношение некоммутатив- но;

-    отношение описания g. Объекты х и у связаны отношением x g y, если объект у описывает х на новом смысловом уровне. Отношение g некоммутативно и неассоциативно.

Методы класса КО.

Þ Конструктор КО. Параметрами конструктора является область карты или набор картографических объектов. При создании КО решается задача отбора из картографической базы данных объектов, образующих максимально информативное изображение при ограничениях на вычислительные, коммуникационные ресурсы системы и возможности визуального восприятия информации пользователем.

Þ Метод усложнения. Параметрами метода являются область карты или набор картографических объектов. Смысл данной процедуры в том, чтобы при заданных ограничениях сформировать максимально информативное изображение в указанной области или в окрестности указанных объектов. В пространственном отношении усложнение может рассматриваться как укрупнение масштаба и появление на карте мелких объектов. Во временном – как отображение анимацией или статичным изображением последовательности смены состояний объектов. В семантическом отношении усложнение выражается в добавлении и замене типов объектов для повышения содержательности картографического изображения.

Þ Метод упрощения. Выполняет обратное действие по сравнению с предыдущим методом. Его параметрами также являются область карты или набор картографических объектов.

Þ Деструктор КО. Вызов данного метода должен приводить к снятию всех ограничений, накладываемых описанием КО в локальной области или для всей рабочей области задачи. Картографическое изображение, полученное на момент запуска деструктора, сохраняется.

Взаимодействие клиентов с сервером в рамках КО осуществляется следующим образом.

¨   Устанавливается тип КО, в рамках которого предполагается дальнейший обмен. КО может устанавливаться явно или неявно. Для явной установки клиент должен получить классификатор КО и сообщить серверу идентификатор выбранного типа КО. Если подобная процедура не реализуется, сервер определяет КО неявно исходя из косвенных признаков: типа запроса, группы пользователя, прав доступа к информации и т.д.

¨   Клиент формирует запрос, ответ на который должен быть представлен реализацией КО с максимальной информативностью. Обобщенный алгоритм получения сервером ответа показан на рисунке 1. Построение остова ответа (блок 1) предполагает определение его пространственных, временных и семантических границ. Это осуществляется анализом запроса или фильтрацией данных и получением соответствующих оценок. Далее области заполняются картографической и атрибутивной информацией из базы данных ГИСС. Оценка ресурсных ограничений для передачи клиенту такого ответа (блок 2) приводит к одному из двух путей оптимизации. Если сложность ответа высока (не выполняются ресурсные ограничения), применяется процедура упрощения (блок 5), представляющая метод принятого типа КО. Суть его заключается в выборе и исключении графических и атрибутивных элементов объекта, приводящих к понижению информативности изображения. Метод специфичен для каждого типа КО и имеет итерационный характер. На каждом шаге осуществляются локальные упрощения, определяемые свойствами КО. Если сложность ответа не нарушает ресурсные ограничения, инициируется метод усложнения образа (блок 4), целью которого является повышение его информативности. В обоих случаях поддерживается целостность КО – соблюдается пространственная, временная и семантическая непротиворечивость.

¨   Перед отсылкой ответа сервер оценивает количество информации, подлежащей передаче, с учетом уже имеющейся у клиента. Если Рк – множество примитивов, полученных ранее в текущем сеансе, то множество DР=Рс\Рк должно отправляться как ответ на запрос. Необходимо заметить, если Рс Ç Рк ¹ 0, то возникает выигрыш по количеству передаваемых данных по каналу связи. При этом множество примитивов Рd=Рк Ç DР должно быть удалено у клиента как избыточное. Перед отсылкой примитивов из множества DР сервером клиенту должна быть направлена команда удаления примитивов множества Рd.

Протокол взаимодействия с соединением

Рассмотрим основные элементы протокола и оценим объем передаваемой информации, считая задачу максимизации информативности решенной.

Первый этап заключается в запросе у сервера базы знаний (БЗ) КО. Получение БЗ реализуется после стандартного обмена примитивами «Соединение» (рис. 2). Параметром примитива согласия на соединение является БЗ об информативности КО и о поддерживаемых классах КО. Экспертная система клиента на основе полученной информации в диалоге с пользователем (или неявным образом) определяет наименование используемого КО. Обозначим через Vбз объем (в байтах) БЗ КО.

Следующий этап – переговоры об установлении типа КО. Содержание этапа и последовательность действий соответствуют стандартному сценарию переговоров: одна из сторон предлагает КО, вторая соглашается или предлагает КО более низкого качества. Заметим, что между КО должно быть установлено нечеткое отношение ''лучший (худший)'', по которому новый предлагаемый КО должен быть хуже предыдущего. На рисунке 2 примитивы «КО» с параметром «тип КО» используются для реализации переговоров. Обозначим через VП объем информации, передаваемый в процессе переговоров.

Далее следует этап обмена информацией в рамках согласованного КО посредством примитивов «Данные». Каждый запрос клиента требует VЗi байт для передачи, объем ответа составляет Vотвi байт. Таким образом, если в сеансе взаимодействия передано R запросов, общий трафик составит V= байт.

Завершающим этапом протокола является разъединение. Здесь должны быть выполнены процедуры пополнения БЗ КО по результатам текущего сеанса и системные функции сохранения данных и освобождения ресурсов. На рисунке 2 этот процесс реализуется примитивами «Разъединение». Обозначив через Vс объем служебной информации для соединения и разъединения, запишем выражение для трафика протокола с соединением

Vсоое=Vс+Vбз+VП+(VЗi+Vотвi).

Протокол взаимодействия без соединения

Протоколы с соединением используются в случаях, когда сервис последующих уровней недостаточно надежен. Проводя аналогию, можно заключить, что в рассматриваемой задаче эффективная процедура идентификации КО позволяет исключить этап согласования КО. Тогда протокол взаимодействия без соединения будет строиться следующим образом.

Клиент формирует запрос, включая в него дополнительно информацию для определения КО. Следует подчеркнуть, что эта информация используется сервером для идентификации КО, но не содержит прямого указания на его тип. Скорее всего, будет подобран КО, наиболее близкий по содержанию. Ответ на запрос строится в рамках установленного сервером КО, параметры и тип которого клиенту не сообщаются.

Обозначим через V¢зi объем запроса (в байтах), через V¢отвi. Можно видеть, что V¢зi >Vзi, поскольку запрос содержит информацию для определения КО, и V¢зi ³ V¢отвi, так как при отсутствии соединения не учитывается информация, переданная ранее по предыдущим запросам.

Сравнивая протоколы двух видов, можно сделать следующие выводы. При реализации серии из R запросов выигрыш в объеме трафика определяется выражением:

.

Анализируя его, можно заключить, что протокол с соединением целесообразно использовать в задачах, не требующих смены типов КО и реализуемых запросами локального характера. Кроме того, ресурсы клиента должны быть достаточными, чтобы поддержать локальность запросов. Система КО должна состоять из близких по содержанию описаний образов, не допускающих простого распознавания. Реализация ЭС для установки КО должна опираться на БЗ минимального объема.

Бесспорной областью протокола без соединения является пересылка одиночных запросов. Эффект соединения проявляется только в серии запросов и при выполнении указанных выше требований.

Список литературы

1.   Зайцев С.С., Кравцунов М.И., Ротанов С.В. Сервис открытых информационно-вычислительных сетей: Справочник.- Радио и связь, 1990.-240 с., ил.

2.   Искусственный интеллект: В 3 кн. Модели и методы: Справочник/ Под ред. Д.А.Поспелова.- М.: Радио и связь, 1990. - Кн.2.