Software & Systems

Одним из перспективных направлений развития географических информационных систем (ГИС) является их применение в управлении динамическими объектами. Примерами динамического объекта могут быть морское судно, автомобиль, квадрокоптер и др., в управлении которыми важен фактор своевременной доставки и обработки данных [1]. На­значение ГИС – обеспечение информацией систем управления объектами в геопространстве, контроль и поддержка принятия решений для достижения целевых установок субъектов управления [2].

Данные в ГИС описывают, как правило, реальные объекты, такие как дороги, здания, водоемы, лесные массивы [3].

В работе предлагается ГИС поддержки принятия решений при управлении морским судном.

Структурно-функциональная модель ГИС морского судна

Структурно-функциональная модель ГИС может быть представлена в виде трехслойной структуры [4, 5]:

-     внутренний слой – информационное обеспечение: картографические данные и данные, необходимые для управления динамическим объектом [6];

-     средний слой – ПО, реализующее функциональные возможности ГИС и состоящее из базового ПО, такого как ОС, системы управления БД, системы визуализации данных и др., и прикладного ПО, предназначенного для решения специализированных задач судовождения, обработки сигналов, обработки и передачи данных и др.;

-     внешний слой – аппаратное обеспечение: комплекс технических средств, применяемых при функционировании ГИС (рабочие станции, устройства ввода-вывода информации, устройства обработки и хранения данных, средства телекоммуникаций) (ГОСТ Р МЭК 60945-2007, ГОСТ 19176-85).

Аппаратный слой ГИС морского судна представлен шестью функциональными модулями (ФМ).

ФМ1 – устройства, осуществляющие преобразование электромагнитной (акустической) энергии как в случае излучения, так и при приеме сигналов, другими словами – антенны.

ФМ2 – устройства, осуществляющие прием, усиление, демодуляцию и декодирование сигналов, – приемники.

ФМ3 – устройства, осуществляющие прием, усиление, модуляцию и передачу сигналов, – передатчики.

ФМ4 – средства обработки принимаемых сигналов и данных.

ФМ5 – средства визуализации, обеспечивающие динамическое отображение целей и траекторий их движения, документирование данных на карту и бумажный носитель, просмотр документов и статистическое отображение наиболее важных данных.

ФМ6 – устройства, обеспечивающие преобразование воздействий окружающей среды в электромагнитные сигналы, – датчики.

Транспортной основой ГИС является локальная вычислительная сеть c коммутацией сегментов, технология построения которой позволяет одновременно передавать данные между всеми взаимодействующими парами «клиент–сервер» (рис. 1).

Постановка задачи

Представим структурно-функциональную модель ГИС морского судна в следующем виде:

G = f(P, С),                                            (1)

где G – структурно-функциональная модель ГИС морского судна; P – множество параметров, которые задаются как технические требования на функциональные модули ГИС; С – множество стоимостных характеристик функциональных модулей ГИС.

Задачу исследования сформулируем как задачу разработки методического обеспечения для проектирования облика ГИС морского судна под заданные цели плавания и с учетом ограничений на требуемые показатели производительности ГИС при работе с актуальными данными.

Выбор облика ГИС решается как целочисленная задача условной многопараметрической оптимизации с ограничениями по стоимости и производительности проекта ГИС:

                                           (2)

где С – стоимость ГИС, которая является аддитивной функцией стоимостных характеристик ее составных элементов;

                                           (3)

где  – среднее время доставки данных клиенту ГИС; Tдоп. – ограничения на время доставки, рекомендуемые стандартами распространения пространственных данных.

Для приближения архитектуры ГИС к заданному набору свойств (1)–(3) предложена методика формирования инфраструктуры ГИС.

Данная методика с заданным набором свойств состоит из следующих шагов.

1.    Определение исходных данных для построения ГИС.

Исходными данными являются назначение морского судна, его категория и морской район.

1.1. Определение минимального количества АРМ NАРМ исходя из назначения и категории судна.

1.2. Определение минимального состава оборудования Noб. в зависимости от морского района плавания.

1.3. Определение общего количества узлов сети Nуз. = NАРМ + Noб. в зависимости от морского района плавания.

2.    Оценка временных характеристик.

Допустимое время доставки пространственных данных Tдоп. до ЛПР при управлении морским судном определяется исходя из характеристик функциональных модулей ФМ1, ФМ2 и ФМ3 ГИС и задается районом плавания. Реальное tдост. оценивается как сумма следующих временных составляющих [7].

2.1. Определение  – среднего времени обработки пространственных данных.

2.2. Определение  – среднего времени установления соединения с источником пространственных данных [8].

2.3. Определение  – среднего времени передачи пространственных данных по уста- новленному соединению [9].

2.4. Проверка условия ограничения, рекомендуемого стандартами распространения пространственных данных tдост. £ Tдоп..

3.    Определение инфраструктуры ГИС, удовлетворяющей требованиям (1)–(3).

3.1. Определение модели и количества сегментов локальной вычислительной сети.

3.2. Определение вида кабеля.

3.3. Определение списка моделей процессоров, ОЗУ, систем хранения.

3.4. Оптимизация списка оборудования обработки информации на АРМ по стоимостным характеристикам.

4.    Определение узкого места в структуре ГИС.

4.1. Определение участка маршрута, вносящего наибольшую задержку, с применением характеристического преобразования Лапла- са–Стилтьеса.

4.2. Рекомендации замены узкого места на другой узел с лучшими характеристиками производительности.

Определение исходных данных для построения структуры системы

Исходными данными будем считать назначение объекта и морской район.

В работе выделены три вида судов в зависимости от назначения: транспортные, промысловые и научно-исследовательские. Категория судна обусловливает количество АРМ и предполагаемый объем пространственных данных. Так, например, научно-исследовательскому судну потребуется минимум три АРМ: два определяют работу на мостике и одно для научно-исследовательских работ.

Минимальный состав оборудования на судне обусловлен морским районом, который в России определяется Глобальной морской системой связи при бедствии.

Этих районов четыре (рис. 2) [10].

Морской район А1 – район в пределах зоны действия, по крайней мере, одной береговой УКВ-радиостанции, обеспечивающей постоянную возможность оповещения о бедствии с использованием цифрового избирательного вызова (ЦИВ) на 70-м канале (20–30 миль).

Морской район А2 – район, за исключением морского района A1, в пределах зоны действия, по крайней мере, одной береговой радиостанции промежуточных/коротких волн (ПВ/КВ-радиостанции), обеспечивающей постоянную возможность оповещения о бедствии с использованием ЦИВ (около 100 миль).

Морской район A3 – район, за исключением морских районов А1 и А2, в пределах зоны действия геостационарных спутников Инмарсат (примерно между 70° северной широты и 70° южной широты).

Морской район А4 – район, находящийся за пределами морских районов Al, A2 и A3.

Минимальный состав радиооборудования в зависимости от района плавания приведен на рисунке 3.

Особенности реализации методики

Предлагаемая методика доведена до программной реализации, блок-схема алгоритма которой приведена на рисунке 4. Определение составляющих , ,  для оценки времени доставки tдост. выполняется с применением аппарата систем и сетей систем массового обслуживания.

Интерфейс программы предусматривает ввод исходных данных в режиме диалога, выбор района плавания, границы которого визуализируются на карте, и обращение к БД, в которой хранится информация о характеристиках АРМ и оборудования функциональных модулей ГИС.

Для начала работы с программой необходимо выбрать категорию транспорта и морской район (см. http://www.swsys.ru/uploaded/image/2019-3/2019-3-dop/14.jpg).

При выборе одного из морских районов плавания на карте визуализируется выбранный район . На рисунках (см. http://www.swsys.ru/uploaded/image/2019-3/2019-3-dop/15.jpg, http://www.swsys.ru/uploaded/image/2019-3/2019-3-dop/16.jpg) продемонстрирован выбор морских районов А1 и А2.

После выбора морского района необходимо нажать кнопку «Рассчитать». Согласно исходным данным определяются значения NАРМ и Noб., из БД выбираются варианты соответствующих функциональных модулей. Далее проводятся расчеты по определению , , , tдост. и выдаются все возможные варианты, удовлетворяющие директивным требованиям (см. http://www.swsys.ru/uploaded/image/2019-3/2019-3-dop/17.jpg).

Для получения списка аппаратного обеспечения ГИС, оптимизированного по условиям (2) и (3), необходимо нажать кнопку «Оптимизировать». Вариант работы программы после оптимизации для морских районов плавания А1 категории транспорта «промысловое» представлен на рисунке (см. http://www.swsys.ru/uploaded/image/2019-3/2019-3-dop/18.jpg).

При необходимости эксперт может отредактировать рабочую память, добавив или удалив записи в БД. Для этого необходимо нажать кнопку «Редактировать БД» (см. http://www. swsys.ru/uploaded/image/2019-3/2019-3-dop/19.jpg).

Заключение

В работе определена актуальность задачи применения ГИС в управлении динамическими объектами, в частности, в управлении морским судном.

Предложена структурно-функциональная модель ГИС морского судна, которая отличается описанием иерархии компонентов, поддерживающих функциональность ГИС. Также показано, что для управления динамическим объектом функциональные модули аппаратного обеспечения ГИС должны удовлетворять ограничениям на время доставки, рекомендуемым стандартами распространения пространственных данных.

Кроме того, сформулирована задача исследования как задача разработки методического обеспечения для проектирования инфраструктуры ГИС морского судна под заданные цели плавания и с учетом ограничений на требуемые показатели производительности ГИС при работе с пространственными данными.

Решение поставленной задачи включает последовательность действий по приближению инфраструктуры ГИС к заданному набору свойств и ПО, автоматизирующее последовательность проектирования ГИС морского судна. Программа поз- воляет в диалоговом режиме формировать комплекты функциональных модулей и оборудования ГИС.

Литература

1.    Биденко С.И., Якушев Д.И. Геоинформационные управляющие системы и технологии. СПб: Изд-во СПбУ МВД, 2014. 248 с.

2.    Маркелов В.М., Соловьев И.В., Цветков В.Я. Интеллектуальные транспортные системы как инструмент управления // Государственный советник. 2014. № 3. C. 42–49.

3.    Веселов Н.В., Рогов А.А., Кравчук И.С., Бортник О.А. Экспертное обеспечение транспортной логистики. М., Дашков и K°, 2013. 230 с.

4.    Бескид П.П., Байков Е.А., Истомин Е.П., Соколов А.Г., Фокичева А.А. Геоинформационное управление как современный подход к управлению пространственно-распределенными системами и территориями // Ученые записки РГГМУ. 2015. № 41. C. 220–239.

5.    Савиных В.П., Цветков В.Я. Геоданные как системный информационный ресурс // Вестн. РАН. 2014. Т. 84. № 9. C. 826–829.

6.    Бурханов М.В., Малкин И.М. Навигация с ЭКНИС. М.: Моркнига, 2014. 298 с.

7.    Татарникова Т.М., Смирнов П.И., Яготинцева Н.В. Модель оценки временных характеристик решения задачи в геоинформационной системе корабля // Программные продукты и системы. 2017. № 4. C. 711–714. DOI: 10.15827/0236-235X.120.711-714.

8.    Татарникова Т.М., Яготинцева Н.В. Вероятностная модель установления соединения в инфокоммуникационной сети // Изв. вузов. Приборостроение. 2017. Т. 60. № 2. C. 136–142.

9.    Чандра А.М., Гош С.К. Дистанционное зондирование и географические информационные системы. М.: Техносфера, 2015. 328 c.

10. Бродский П.Г., Лобанов А.А., Руденко Е.И., Литвинов Г.Д. О комплексном подходе в вопросах обеспечения навигационной безопасности плавания кораблей и судов // Навигация и гидрография. 2015. № 41. С. 7–15.

References

1. Bidenko S.I., Yakushev D.I. Geoinformation Control Systems and Technologies. St. Petersburg, SPbU MIA Publ., 2014, 248 p.
2. Markelov V.M., Solovyov I.V., Tsvetkov V.Ya. Intelligent transport systems as a management tool. State Counselor. 2014, no. 3, pp. 42–49 (in Russ.).
3. Veselov N.V., Rogov A.A., Kravchuk I.S., Bortnik O.A. Expert Support of Transport Logistics. Moscow, Dashkov and K° Publ., 2013, 230 p.
4. Beskid P.P., Baykov E.A., Istomin E.P., Sokolov A.G., Fokicheva A.A. Geoinformation management as a modern approach to the management of spatially distributed systems and territories. RSHU Proc. 2015, no. 41, pp. 220–239 (in Russ.). 
5. Savinykh V.P., Tsvetkov V.Ya. Geodata as a system information resource. Bulletin of RAS. 2014,
   vol. 84, no. 9, pp. 826–829 (in Russ.). 
6. Burkhanov M.V., Malkin I.M. Navigation with ECDIS. Moscow, Morkniga Publ., 2014, 298 p. 
7. Tatarnikova T.M., Smirnov P.I., Yagotintseva N.V. A model for estimating temporal characteristics of solving a problem in a ship GIS. Software & Systems. 2017, no. 4, pp. 711–714 (in Russ.). DOI: 10.15827/0236-235X.120.711-714.
8. Tatarnikova T.M., Yagotintseva N.V. A probabilistic model of establishing a connection in an information and communication network. J. of Instrument Engineering. 2017, vol. 60, no. 2, pp. 136–142 (in Russ.).
9. Chandra A.M., Gosh S.K. Remote Sensing and Geographic Information Systems. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2015, 328 p.
10. Brodsky P.G., Lobanov A.A., Rudenko E.I., Litvinov G.D. On an integrated approach in ensuring the navigation safety of navigation of ships and ships. Navigation and Hydrography. 2015, no. 41, pp. 7–15
    (in Russ.).