Геоинформационное моделирование подземных инженерных коммуникаций и его программно-аппаратная реализация тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.16, кандидат технических наук Русаков, Георгий Васильевич

• Русаков, Георгий Васильевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Русаков, Георгий Васильевич

Введение.

Глава 1 Обзор современного состояния кадастровых систем подземных инженерных коммуникаций.

1.1 Современные геоинформационные системы кадастра и обслуживания подземных инженерных коммуникаций.

1.2 Основные кадастровые и технические характеристики объектов подземных инженерных коммуникаций.

1.3 Учет, хранение и выдача информации о подземных инженерных коммуникациях. Виды кадастровых работ.

Глава 2 Разработка геоинформационной модели системы подземных инженерных коммуникаций.

2.1 Функциональная схема.

2.2 Основы математического моделирования подземных инженерных коммуникаций.

2.3 Геометрические и семантические характеристики моделируемых объектов.

2.4 Цифровая карта и ее структура.

2.5 Визуализация информации.

2.6 Исходные картографические материалы.

2.7 Программное обеспечение.

Глава 3 Практическая реализация автоматизированной геоинформационной системы подземных инженерных коммуникаций.

3.1 Задачи системы.

3.2 Технологическая схема.

3.3 База данных.

Глава 4 Внедрение геоинформационной системы подземных инженерных коммуникаций.

4.1 Внедрение в производство.

4.2 Результаты опытной эксплуатации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Геоинформационное моделирование подземных инженерных коммуникаций и его программно-аппаратная реализация»

Актуальность темы. Современные предприятия - сложные многофакторные комплексы природного и техногенного происхождения. Управление такими комплексами, характеризующимися большими объемами разнокачественной информации, является сложной задачей, решение которой зависит от методов обработки информации и форм ее представления.

Продолжительная эксплуатация предприятий приводит к полному или частичному изменению технологических схем, проектных контуров, замене оборудования, изменению конфигурации транспортных и других коммуникационных сетей, что обуславливает необходимость их реконструкции. Принятие соответствующих решений невозможно без налаженной информационной системы.

Значительную роль в обеспечении функционирования объектов инфраструктуры территорий, городов и предприятий играют информационные системы инженерных коммуникаций. Существующие автоматизированные геоинформационные системы (ГИС) используют методики анализа и представления информации, применение которых зачастую затруднительно или невозможно в сфере кадастра и обслуживания инженерных коммуникаций. В этой связи совершенствование методики ведения кадастровых работ, разработка способов согласования разнокачественной информации об элементах инженерных коммуникаций и оптимизация используемых геоинформационных моделей является актуальной задачей. Успешное ее решение позволяет повысить оперативность ввода-вывода информации и ее достоверность, повысить эффективность управления, снизить материальные расходы, использовать накопленные данные в других отраслях науки и производства.

Цель работы - разработка геоинформационной системы подземных инженерных коммуникаций путем совершенствования способов представления и обработки разнородной информации для обеспечения эффективного безаварийного режима эксплуатации.

Идея работы заключается в оптимизации геоинформационной модели автоматизированных информационных систем предприятий, что достигается разработкой и использованием методики согласования разнокачественной кадастровой и технической информации, стандартизацией процедур ввода, обработки и вывода цифровой топографической и инженерно-технической информации об объектах сетей, выбором эффективного программного обеспечения информационных систем.

Основные научные результаты и их новизна:

- предложена и разработана геоинформационная модель автоматизированной информационной системы подземных инженерных коммуникаций, основанная на совместном использовании цифровых топографических планов, кадастровых данных и специальной (технической) информации об элементах инженерных коммуникаций, обеспечивающая их непротиворечивость и эффективность использования;

- разработан комплексный классификатор цифровой топографической и инженерно-технической информации, обеспечивающий существенное повышение эффективности операций ввода-вывода и сохранение целостности структуры базы данных системы;

- выполнен анализ существующего программного обеспечения кадастровых геоинформационных систем (16 программных пакетов), на основе которого сделан вывод об оптимальности использования географической информационно-поисковой системы Мар1пй> в рамках разработанной геоинформационной модели.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

-6- применением современных информационных технологий обработки пространственно распределенной информации;

- практическими разработками;

- положительным опытом использования предлагаемой методики ведения кадастровых работ и модифицированной геоинформационной модели на производстве.

Практическое значение работы. Предлагаемое усовершенствование способов представления и обработки разнокачественной информации о подземных инженерно-коммуникационных сетях позволяет:

- повысить оперативность проведения кадастровых и ремонтно-строительных работ;

- повысить достоверность и устранить противоречивость информации об инженерных коммуникационных сетях.

Комплексный классификатор цифровой топографической и инженерно-технической информации позволяет:

- стандартизировать процедуры ввода-вывода информации об объектах инженерных коммуникационных сетей;

- обеспечить корректность внутренней структуры цифровой базы данных;

- устранить неопределенность в описании объектов при вводе в базу данных.

Разработанное автором программное обеспечение реализует ранее недоступные функциональные возможности информационно-поисковой системы Мар1п1Ъ по реляционному взаимодействию таблиц базовых топографических данных и технических характеристик объектов цифровой карты.

Методика проведенного анализа программного обеспечения может быть использована для выбора оптимальных ГИС-оболочек при создании кадастровых систем различной отраслевой направленности и административного уровня.

Реализация результатов работы. Результаты исследований реализованы и внедрены на предприятии тепло- и санитарно-технического обеспечения (ТиСТО) екатеринбургского аэропорта «Кольцово» по договору № 7036 от 15 сентября 1996 г. в виде автоматизированной информационной системы кадастра и обслуживания подземных инженерных коммуникаций (акт внедрения от 3 марта 1998 г.).

В 1999 г. начато ее внедрение в Управлении капитального строительства завода «Уралэлектромедь» в г. Верхняя Пышма.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях Уральской государственной горно-геологической академии в 1996, 97 гг., ХХХУ1 Научной конференции (УрГСХА, г. Екатеринбург, 1997 г.), Республиканской научно-технической конференции «80 лет Федеральной службе геодезии и картографии России» (ЕоАгоР, г. Екатеринбург, 1999 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 4 печатных работы.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, 3 приложений, изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 10 таблиц, библиографию из 64 наименований.

Заключение диссертации по теме «Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)», Русаков, Георгий Васильевич

-105-ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной научной и практической задачи совершенствования способов представления, обработки и выдачи разнородной информации в рамках автоматизированной геоинформационной системы для обеспечения эффективного безаварийного режима эксплуатации подземных инженерных коммуникаций.

1 В результате выполненных исследований выявлены основные недостатки традиционного способа ведения кадастровых работ, которые не обеспечивают своевременного и правильного принятия решений при учете, эксплуатации, ремонте и модернизации инженерных коммуникационных сетей.

2 Предложена методика согласования разнородной кадастровой и технической информации в рамках единой непротиворечивой системы на предприятиях, ведущих учет и эксплуатацию инженерных сетей, которая позволила:

- обеспечить целостность семантической структуры системы;

- повысить достоверность информации о подземных инженерно-коммуникационных сетях;

- повысить оперативность проведения кадастровых и ремонтно-строительных работ;

- обеспечить своевременное проведение согласований по взаимодействию различных эксплуатационных служб.

3 Разработан комплексный классификатор цифровой топографической и инженерно-технической информации, который позволяет:

- стандартизировать способы геометрического представления объектов в виде примитивов;

-106- организовать корректную топологическую структуру, согласно требованиям к пространственно-логическим отношениям между объектами;

- соблюсти корректность иерархической и внутрислоевой структуры базы данных информационной системы;

- обеспечить заполнение базы данных первичной информацией -классификационными именами, идентификаторами и кодовыми обозначениями объектов.

4 Проведен анализ программного обеспечения геоинформационных систем, методика которого может быть использована для выбора оптимальных ГИС-оболочек при создании автоматизированных информационных систем инженерных коммуникаций различной отраслевой направленности.

5 Разработанное автором программное обеспечение реализует ранее недоступные функциональные возможности информационно-поисковой системы МарМо по реляционному взаимодействию таблиц базовых топографических данных и технических характеристик объектов цифровой карты.

6 Внедрена первая очередь автоматизированной геоинформационной системы кадастра и обслуживания подземных инженерных коммуникаций екатеринбургского аэропорта «Кольцово», которая обеспечивает учет и обслуживание 400 км коммуникаций на территории площадью 3.5 км2 и успешно эксплуатируется в рабочем режиме.

Екатеринбург 1996

-1081 Введение

Создание информационных систем продиктовано необходимостью повышения эффективности управленческих решений, прямо зависящих от полноты, достоверности и оперативности используемой информации. Эффективный поиск, хранение, выдача необходимой пользователю информации в удобной для него форме, связь текстовой информации с картографической позволяют применить цифровую карту с заполненным информационным банком в области кадастра и обслуживания инженерных сетей.

2 Основания для разработки

Настоящее техническое задание является приложением к договору № 7036 от 15 сентября 1996 г. ТЗ может дорабатываться и уточняться в процессе разработки в виде отдельного, согласованного протокола.

3 Назначение разработки

3.1 Информационная система (ИС) создается с целью автоматизации процесса сбора, хранения, обработки и выдачи картографической и текстовой информации об инженерных сетях аэропорта и пгт. Кольцо-во.

3.2 Программные средства ИС поставляются в режиме минимально необходимого набора пользовательских функций, с возможностью их дальнейшего расширения.

-1093.3 ИС имеет в своем составе два взаимосвязанных компонента: цифровую карту местности и базу данных по инженерным сетям.

3.4 ИС должна обеспечивать принципиальную возможность интеграции с другими информационными системами, на основе поддержки наиболее часто используемых стандартов и протоколов обмена информацией.

3.5 ИС должна иметь документацию, полностью описывающую процесс установки и работы системы.

4 Требования к продукции

4.1 Требования к банку данных

4.1.1 Банк данных (БД) состоит из цифровой карты местности, содержащей пространственные объекты расположенные на, над и под поверхностью земли и реляционной базы данных, содержащей атрибутивные данные по этим объектам, при этом должна обеспечиваться связь между графическими и текстовыми данными.

4.1.2 Цифровая карта создается в топологическом формате, учитывающим пространственно-логические отношения между объектами, что позволяет в дальнейшем использовать ее в автоматизированных системах управления и экспертных системах.

4.1.3 Цифровая карта создается по исходным оригиналам карт масштаба 1:500 и инвентаризационным картам БТИ и должна содержать все сведения, представленные на них.

-1104.1.4 Точность цифровой карты должна быть не хуже 0.30 мм в масштабе исходного оригинала.

4.1.5 Цифровая карта организуется в виде слоев, построенных по тематическому признаку. Водопровод, канализация, электрические и тепловые сети должны быть выделены в отдельные слои.

4.1.6 Атрибутивные данные должны быть организованы в виде реляционных таблиц. Каждой записи реляционной таблицы должен быть поставлен в соответствие графический объект на цифровой карте.

4.1.7 Организацию и разработку структур данных в таблицах и цифровых картах предоставляется выбрать Исполнителю, на основе прилагаемых к данному ТЗ образцов картматериалов и описательных (текстовых) данных.

4.1.8 Атрибутивная информация для банка данных берется из двух источников: путем дешифрирования карт (подписей характеристик объектов) и из технических паспортов водопроводных, канализационных и тепловых сетей. Полнота содержания цифровой информации должна соответствовать полноте исходной информации.

4.2 Требования к базовому программному обеспечению

4.2.1 Программное обеспечение (ПО) должно обеспечивать ввод, редактирование, отбор, и отображение (в виде графиков, цифровых тематических карт, таблиц и т.д.) всей хранимой в банке данных информации.

-1114.2.2 ПО должно иметь встроенные средства для формирования следующих выходных документов.

1 цифровых карт (изображенных в условных знаках и подписях максимально приближенных к стандартным, в пределах технической возможности );

2 цифровых тематических карт (в условных знаках изображающих значения параметра, взятого из атрибутивных данных);

3 реляционных таблиц;

4 смешанных форм отчетов, содержащих цифровые карты, пояснительные подписи, таблицы и легенды.

4.2.3 В режиме минимальных функциональных возможностей система должна обеспечивать выдачу следующих документов на принтер:

1 цифровой карты на произвольный, выбираемый оператором участок местности, оформленную согласно п. 4.2.2;

2 технического паспорта на инженерные коммуникации (в виде таблиц);

3 цифровой карты колодцев (схема).

4.2.4 ПО должно иметь средства для отбора информации из БД по значениям атрибутивных данных и по пространственно-логическим отношениям.

4.2.5 ПО должно иметь средство для разработки приложений, в виде встроенного языка программирования, имеющего доступ ко всем средствам и инструментам системы.

-1124.2.6 ПО должно поддерживать протоколы обмена информацией в среде Windows 95 такие как ODBC, DDE и ClipBoard, быть сервером OLE для цифровых карт и иметь средства для конвертирования цифровых карт в формат DXF и таблиц в формат DBF.

5 Исходные материалы для создания банка данных

5.1 Для создания цифровой карты местности используются стандартные номенклатуры масштаба 1:500, на пластиковой основе в количестве 50 шт., на территорию пгт. Кольцово.

5.2 Для дополнения цифровой карты используются инвентаризационные карты инженерных сетей масштаба 1:1000, нестандартного размера.

5.3 Для заполнения банка данных по инженерным коммуникациям используются инвентаризационные ведомости инженерных сетей (технические паспорта).

-113

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Русаков, Георгий Васильевич, 2000 год

1.H. Теория и методика расчета систем подачи и распределения воды. - М.: Стройиздат, 1972. - 288 с.

2. Андрияшев М.М. Гидравлические расчеты водоводов и водопроводных сетей. М: Стройиздат, 1964. - 107 с.

3. Бахтин A.B., Демин В.И., Козодой В.И. Проектирование систем водоснабжения с помощью методов математического моделирования. Новосибирск, 1988. - 29 с. (Препр. / АН СССР. Сиб. от-ние. Ин-т народного хозяйства; № 80).

4. Берж К. Теория графов и ее применения. М.: изд-во Иностр. мир., 1962.-320 с.

5. Берлянт A.M. Геоинформационное картографирование. В кн.: Картография и геоинформатика. Итоги науки и техники, сер. Картография. М., ВИНИТИ АН СССР, 1991, т. 14. - С. 80-117.

6. Вайсфельд В.А., Ексаев А.Р. Геоинформационные технологии и городские инженерные сети основные принципы интеграции //ГИС-Ассоциация. Информационный бюллетень. - 1997. - № 1(8).

7. Вайсфельд В.А., Ексаев А.Р. ГИС в задачах эксплуатации инженерных коммуникаций //ГИС-Ассоциация. Информационный бюллетень. 1997. - № 5(12).

8. Введение в геоинформатику горного производства / Под ред. B.C. Хохрякова: Учебное пособие. Екатеринбург: - Изд-во УГГГА, 1999.-1179 Вязгин В.А., Федоров В.В. Математические методы автоматизированного проектирования. М.: Высш. шк., 1989. - 184 с.

9. Гармиз И.В., Кошкарев A.B., Межеловский Н.В., Рамм Н.С. Геоинформационные технологии: принципы, международный опыт, перспективы развития. М., ВИЭМС, 1989. 55 с.

10. Гладкий В.И., Спиридонов В.А. Городской кадастр и его картографо-геодезическое обеспечение. М.: Недра. 1991. - 252 е.: ил.

11. Голиков А.П., Черванев И.Г., Трофимов A.M. Математические методы в географии. Харьков, Вища школа, 1986. - 144 с.

12. Гончаренко C.B., Гуральник M.JL, Фетман H .Я. О некоторых подходах в проблеме ГИС и инженерные сети //ГИС-Ассоциация. Информационный бюллетень. 1997. - № 5(12).

13. Громов Н.К. Городские теплофикационные системы. М.: Энергия, 1974.-253 с.

14. Дейт, К. Дж. Введение в системы баз данных.: Пер. с англ.-6-е изд.-К.: Диалектика, 1998. 784 е.: ил.

15. Евдокимов А.Г., Дубровский В.В., Тевяшев А.Д. Потокорас-пределение в инженерных сетях. М.: Стройиздат, 1979. - 199 с.

16. Зингер Н.М., Андреева К.С. Расчет гидравлических режимов тепловых сетей в аварийных условиях // Электрические станции. 1970.-№ 10.

17. Инструкция по топографической съемке в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:500.-М.: Недра, 1985.

18. Карташев C.B., Королев Ю.К., Кошелев И.М., Кульчицкая И.А. // Муниципальные ГИС (материалы конференции) Обнинск 95. -С. 39-40.

19. Картография. Вып. 4. Геоинформационные системы: Сб. пе-рев. статей/ Сост., ред. и предисл. A.M. Берлянт и B.C. Тикунов. М.: «Картгеоцентр» - «Геодезиздат», 1994. - 350 е.: ил.

20. Кираковский В.В. Организационные и экономические аспекты создания единой городской информационной системы инженерных сетей и сооружений //ГИС-Ассоциация. Информационный бюллетень. -1997.-№ 5(12).

21. Копаев Г.В. ГИС в Нижнем Новгороде //ГИС-Ассоциация. Информационный бюллетень. 1999. - № 1(18).

22. Королев Ю.К. Общая геоинформатика Часть 1. Теоретическая геоинформатика Выпуск 1. СП ООО Дата+, 1998. 118 с.

23. Кошкарев A.B., Каракин В.П. Региональные геоинформационные системы. М.: Наука, 1987. - 126 с.

24. Кошкарев A.B., Тикунов B.C. Геоинформатика / Под ред. Д.В. Лисицкого. М.: «Картгеоцентр» - «Геодезиздат», 1993. -213 е.: ил.

25. Лисицкий Д.В. Современные проблемы геоинформационного обеспечения регионов и крупных городов. «Геодезия и картография», 1995, №3.-С. 46-48.

26. Мараховский Я.М., Тикунов B.C. Некоторые структуры для представления пространственных данных в географических информационных системах. В кн.: Автоматизированная картография и геоинформатика. - М., 1990. - С. 41-63.

27. Мартин Дж. Организация баз данных в вычислительных системах. М.: Мир, 1980. - 662 с.

28. Мартыненко А.И. Картографическое моделирование и геоинформационные системы. «Геодезия и картография». 1994, № 9. -С. 43-45.

29. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения / А.П. Меренков, Е.В. Сеннова,-120

30. С.В. Сумароков и др. Новосибирск: ВО «Наука», Сибирская издательская фирма, 1992. - 407 с. •

31. Меренков А.П. Математические модели и методы для анализа и оптимального проектирования трубопроводных систем: Автореф. дис. .д-ра физ.-мат. наук. Новосибирск: секция кибернетики объединенного ученого совета СО АН СССР, 1974. - 34 с.

32. Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей. -М.: Наука. 1985.-278 с.

33. Мещеряков Г.А. Теоретические основы математической картографии. М.: Недра, 1968. - 160 с.

34. Об автоматизированных системах программ для расчета гидравлических режимов. трубопроводных сетей / А.П. Меренков, К.С. Светлов, М.К. Такайшвили, В.Я. Хасилев // Изв. АН СССР. Энергетика и трансп. 1973. - № 3.

35. Панкратов B.C., Дубинский A.B., Сиперштейн Б.И. Информационно-вычислительные системы в диспетчерском управлении газопроводами. Л.: Недра. Ленингр. от-ние, 1988. - 246 с.

36. Першиков В.И., Савинков В.М. Толковый словарь по информатике. М.: Финансы и статистика, 1991. - 136 с.

37. Рабченюк В.Н. Ступени создания и развития ГИС Волгограда //ГИС-Ассоциация. Информационный бюллетень. 1998. - № 5(17).

38. Реза Ф., Сили С. Современный анализ электрических цепей. -М.; Л.: Энергия, 1964. 480 с.

39. Русаков Г.В. Геоинформационные системы, их структура и функции. Методические материалы в помощь студентам, изучающим геодезию с основами землеустройства. (Ред.: Ухналев В. А.) // Екатеринбург, УрГСХА, 1999. 27 с.

40. Русаков Г.В. Информационная система ведения кадастра подземных инженерных сетей // II Научно-техническая конференция: Тез. докл. Екатеринбург, 1997. - С. 27.

41. Русаков Г.В. Пакет программ «Урал-ГИС»: структура, сопро^ вождение, доработка // I Научно-техническая конференция: Тез. докл. -Екатеринбург, 1996. С. 14.

42. Русаков Г.В. Предпосылки и перспективы использования геоинформационных систем и принципов интегрированной картографии в кадастровых системах // XXXYI Научная конференция: Тез. докл. Екатеринбург, 1997. - С. 12.

43. Русаков Г.В. Создание универсального ГИС-инструмента как основы для разработки ГИС-приложений // Республиканская научно-122техническая конференция «80 лет Федеральной службе геодезии и картографии»: Тез. докл. Екатеринбург, ! 999. - С. 16.

44. Свами М., Тхуласирман К. Графы, сети и алгоритмы. М.: Мир, 1984.- 455 с.х 51 Сербенюк С.Н., Тикунов B.C. Автоматизация в тематической картографии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1984. - 112 с.

45. Сомов М.А. Водопроводные системы и сооружения. М.: Стройиздат, 1988. - 398 с.

46. Тикунов B.C. Вопросы моделирования в картографии. В кн.: Научно-технический прогресс и проблемы теории картографии. М., МФ ВГО 1987. - С. 68-77.

47. Тикунов B.C. Географические информационные системы: сущность, структура, перспективы. В кн.: Картография и геоинформатика. Итоги науки и техники, сер. Картография. М., ВИНИТИ АН СССР, 1991, т. 14. - С. 6-79.

48. Условные знаки для топографических планов масштабов 1:5000, 1:2000, 1:1000 и 1:500. М.: Недра, 1989.

49. Халугин Е.И., Жалковский Е.А., Жданов Н.Д. Цифровые карты. Под. ред. Е.И. Халугина. М.: Недра, 1992. - 419 с.

50. Хохряков B.C. Геоинформатика в горном производстве // Горные науки и промышленность. М.: Недра, 1989. - 318 с.

51. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. -М.: Финансы и статистика, 1998. 228 с.

52. Цуканов В.А., Зотов М.А. Использование ГИС в управлении тепловыми сетями //ГИС-Ассоциация. Информационный бюллетень. -1999.-№ 1(18).

53. Шайтура C.B. Геоинформационные системы и методы их создания. Калуга: издательство Н. Бочкаревой, 1998. - 252 е.: ил.

54. Ширяев Е.Е. Картографическое отображение, преобразование и анализ геоинформации. М.: Недра, 1989. -248 с.

55. Элти Дж., Кумбс М. Экспертные системы: концепции и примеры. М.: Финансы и статистика, 1987. - 191 с.

56. Энкарначчо Ж., Шлехтендаль Э.Г. Автоматизированное проектирование: Основные понятия и архитектура систем. М.: Радио и связь, 1986.-278 с.

57. Яровых В.Б. Проблемы качества векторных цифровых карт для ГИС //ГИС-Ассоциация. Информационный бюллетень. 1996. -№ 4(6).