«Ю.Б. Гриценко, Ю.П. Ехлаков, О.И. Жуковский ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МОНИТОРИНГА ИНЖЕНЕРНЫХ СЕТЕЙ Томск Издательство ТУСУРа 2010 2 УДК 625.78:91:004 ББК 38.788с51 Г858 Рецензенты: В.Ф. Тарасенко, д-р техн. наук, ...»

Министерство образования и науки Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Ю.Б. Гриценко, Ю.П. Ехлаков, О.И. Жуковский

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

МОНИТОРИНГА ИНЖЕНЕРНЫХ СЕТЕЙ

Томск

Издательство ТУСУРа

2010 2 УДК 625.78:91:004 ББК 38.788с51 Г858 Рецензенты:

В.Ф. Тарасенко, д-р техн. наук, профессор кафедры системного анализа и управления Томского государственного университета;

С.Н. Колупаева, д-р физ.-мат. наук, проректор по информатизации, зав. кафедрой прикладной математики Томского государственного архитектурно-строительного университета Гриценко Ю.Б.

Г858 Геоинформационные технологии мониторинга инженерных сетей: монография / Ю.Б. Гриценко, Ю.П. Ехлаков, О.И. Жуковский. — Томск : Изд-во Томск. гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники, 2010. — 148 с.

ISBN 978-5-86889-542- Рассматриваются вопросы реализации проектов по созданию АИС на основе геоинформационных технологий сопровождения инженерных сетей. Внимание акцентируется как на развитии методов моделирования, применяемых для представления инженерных сетей, так и на совершенствовании подходов к организации геоинформационных систем, ориентированных на информационное сопровождение электронных генеральных планов. Представлены архитектурные решения, использованные авторским коллективом при создании вебориентированных ГИС для информационной поддержки процесса ведения инженерных сетей предприятий металлургической и химической отраслей.

Для специалистов в области автоматизации управления инженерными сетями, разработки и создания ГИС, а также студентов вузов специальностей, связанных с проектированием и созданием современных информационных систем.

УДК 625.78:91: ББК 38.788с Научное издание Гриценко Юрий Борисович, Ехлаков Юрий Поликарпович, Жуковский Олег Игоревич

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МОНИТОРИНГА ИНЖЕНЕРНЫХ СЕТЕЙ

Монография Корректор О.В. Полещук Подписано в печать 25.12.10. Формат 60х84/16. Усл. печ. л. 8,6. Тираж 100 экз. Заказ 1205.

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. (3822) 53-30-18.

© Гриценко Ю.Б., Ехлаков Ю.П., ISBN 978-5-86889-542- Жуковский О.И., © Томск. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, Введение Инженерные сети, являясь основой инженерной инфраструктуры, в значительной мере определяют устойчивость развития как промышленных, так и социально-экономических территориальных образований. Надежность функционирования, качество транспортировки технологических и энергетических продуктов при эксплуатации инженерных сетей зависят от эффективности проведения процесса мониторинга их текущего состояния.

В предлагаемой работе авторами проведено обобщение практических результатов, полученных за последние десять лет в процессе работы по созданию автоматизированных информационных систем на основе геоинформационных технологий для сопровождения инженерных сетей таких объектов, как водоканалы городов Томск и Северск, Кузнецкий металлургический комбинат (ОАО «КМК», г. Новокузнецк), Томский нефтехимический комбинат (ОАО «Томскнефтехим»).

В первой главе дается общее представление об инженерных сетях.

Рассматриваются некоторые подходы к их классификации. Особое внимание уделено жизненному циклу инженерной сети и характеристикам его этапов, формулированию задач информационной поддержки этапов, при этом акцент сделан на задачах этапа эксплуатации сети.

Рассмотрены классификация задач, решаемых в процессе эксплуатации территориально распределенных инженерных сетей, и проблемы их автоматизации.

Несмотря на значительные различия в типах транспортируемых продуктов и технологиях, используемых различными эксплуатирующими организациями, современные инженерные сети характеризуются рядом общих специфических особенностей, что позволяет ставить и решать определенные прикладные задачи управления инженерными сетями, представленные в первой главе, при этом наиболее подробно рассматриваются задачи информационного обеспечения управления и анализа инженерных сетей.

Во второй главе рассматриваются проблемы моделирования инженерных сетей. Приводятся известные подходы построения плоских и многоуровневых моделей, предлагается формальное описание процессов взаимодействия объектов на различных уровнях инженерной сети, причем особо акцентируется внимание на вопросах унификации параметров Введение и функций предлагаемой алгебраической модели инженерной сети. Рассмотрены особенности моделирования жизненного цикла объектов инженерной сети, проанализированы подходы к представлению структур данных для решения задач моделирования процессов транспортировки продукта внутри сети.

В третьей главе анализируются особенности использования геоинформационных систем в процессе управления инженерными сетями с учетом общей организации таких систем, а также особенности использования настольных, сетевых и веб-ориентированных ГИС. Приведен анализ информационных технологий, используемых при построении веб-ориентированных ГИС. Рассматриваются общие принципы архитектурных решений, применяемых при создании ГИС. Кроме того, предложена технология хеширования данных для сопоставления графического и атрибутивного описаний объектов и рассмотрены пути решения проблемы разграничения прав доступа к данным в системах на основе пространственной базы данных.

Четвертая глава содержит анализ проблем, возникающих при создании веб-ориентированной ГИС инженерного назначения. Рассмотрена многоуровневая архитектура веб-ориентированных ГИС, отдельное внимание уделено выбору архитектуры создаваемых приложений как на стороне сервера, так и на стороне клиента. Предлагается модифицированный сервис-ориентированный подход для построении геоинформационной системы. Раскрываются особенности применения Mashup-идеологии, показана специфика сервис-ориентированной архитектуры блока анализа веб-ориентированной ГИС.

Опыт создания инженерных геоинформационных систем представлен в пятой главе. Приводится описание основных особенностей одной из последних версий веб-ориентированной геоинформационной системы, разработанной под руководством авторов данной монографии. Рассматриваются вопросы администрирования и управления данными в системе, приводится описание основных функций.

Среди сотрудников ТУСУРа, внесших наибольший, а порой и определяющий вклад в развитие геоинформационных технологий, представленных в данной работе, следует отметить Еськина Д.М., Рыбалова Н.Б., Вишнякова В.Ю, Ощепкова С.С., Степанова А.В, Панова А.С.

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНЖЕНЕРНЫХ СЕТЕЙ

1.1. Типология инженерных сетей и классификация задач эксплуатации Инженерные сети осуществляют централизованное снабжение рассредоточенных потребителей электрической и тепловой энергией, топливом, водой или другими транспортируемыми продуктами. В настоящее время значение инженерных сетей в инфраструктуре городского хозяйства продолжает возрастать. Спектр объектов, представляющих в совокупности инженерную сеть, весьма широк и разнообразен. Кроме того, инженерные сети имеют четкую ведомственную принадлежность, которая диктуется, главным образом, видом транспортируемого продукта, а также технологией его добычи, переработки, транспортировки и потребления [1, 2]. Сложность вопросов проектирования и создания инженерных сетей определила тематику многих публикаций, научнометодических и алгоритмических разработок.

Инженерные сети могут быть типологизированы в зависимости от семантического и масштабного типа плана местности, физических и математических признаков, а также технологических различий (рис. 1.1) [3, 4].

Первой, и наиболее общей, является классификация по виду транспортируемого продукта и способу транспортировки [5]:

- кабельные сети: электрические воздушные, электрические кабельные подземные, низкого/высокого напряжения, контактные сети, телефонные сети; сети передачи данных (электрические, оптоволоконные), телерадиосети;

- трубопроводные сети: водоснабжение (горячее, холодное), водоотведение (бытовая, ливневая, техническая канализация), теплоснабжение (с разными теплоносителями), газопроводные, нефтепроводные, продуктопроводные, вентиляционные, пневматические;

- дорожные сети: автомобильные и рельсовые дороги, метрополитен, фуникулер и т. д.

МЕСТО В ИЕРАРХИИ

ТРУБОПРОВОДНЫЕ СЕТИ КАБЕЛЬНЫЕ СЕТИ

Горячее водоснабжение Холодное водоснабжение Газопроводные Водоотведение

ТРАНСПОРТНЫЕ СЕТИ

Сети транспортировки

ИЕРАРХИЧНОСТЬ

Типология инженерных сетей и классификация задач эксплуатации Достаточно значимой является классификация по масштабному признаку [4], в которой под масштабом подразумеваются следующие измерения: линейные размеры сети (длина линий), топологическая размерность (число узлов, линий), место в иерархии (магистральные, муниципальные, внутриквартальные и внутризаводские; внутренние сети зданий и сооружений).

Не менее важна и топологическая структура сети (топология сети при передаче продукта). Сети могут быть разомкнутыми (односвязными, древесными) и замкнутыми (многосвязными, циклическими).

Инженерные сети являются сложными объектами, имеющими протяженность не только в пространстве, но и во времени. Развитие инженерных сетей во времени определяется жизненным циклом инженерных сетей (рис. 1.2).

Существование любой инженерной сети обусловлено необходимостью получения определенных услуг в той или иной хозяйственной отрасли, что ставит задачу создания инженерной сети определенного вида.

Созданию инженерной сети предшествуют действия по проектированию сети (рис. 1.3) [4], которые предваряются процессом выявления будущих абонентов (потребителей услуг) сети. При этом выясняются приблизительные потребности абонентов (нагрузки) на основе типовых характеристик либо известных индивидуальных характеристик. При большом числе абонентов их обобщают по различным критериям: территориальной близости, виду требуемой услуги. После выявления потребностей в услугах следует процесс выбора источников услуг в соответствии с суммарными потребностями абонентов. Для ряда сетей, в которых источники услуг заключены в самих сетях, этот процесс превращается в поиск расположения источников услуг.

Рис. 1.3. Этап проектирования инженерной сети Следующим процессом является выбор структуры сети. Здесь рассматривается создание циклических или разомкнутых сетей, их иерархичность. После выбора той или иной структуры или их совокупности производят планирование топологии сети с привлечением информации о районе расположения проектируемой сети, расположении абонентов и других сетей, особенностях рельефа местности и т. п.

Далее производится расчет параметров элементов сети в соответствии с заданными нагрузками и топологией сети. При этом выполняется расчет параметров оборудования, участков в нормальном режиме их функционирования. Результатом такого расчета является окончательная конфигурация сети.

После построения окончательной конфигурации сети производится проверочное моделирование всей сети, при котором исследуются режимы функционирования сети при различных внешних воздействиях.

На каждом процессе проектирования возможен переход на предыдущие процессы с целью коррекции структуры, топологии, используемых источников, параметров элементов сети. Этап проектирования завершается окончательным утверждением плана создания сети.

Типология инженерных сетей и классификация задач эксплуатации После проектирования сети следует этап физического воплощения проекта сети — строительство. Как правило, это длительный этап, совмещенный с эксплуатацией построенных частей сети.

Один из основных этапов жизненного цикла инженерной сети — эксплуатация (процесс предоставления услуг в соответствии с задачами, поставленными перед сетью на этапе проектирования). Эксплуатация инженерной сети начинается уже во время ее строительства. Этап эксплуатации можно разделить на некоторые процессы, происходящие одновременно в рамках одной и той же сети (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Процессы этапа эксплуатации сети Процесс поддержания режима функционирования сети должен осуществляться непрерывно, без перерыва в обеспечении абонентов услугой. Для этого требуется наличие средств управления режимом и средств контроля состояния сети. Задачи процесса решаются диспетчерскими службами, имеющими в распоряжении сведения о нагрузках, текущей топологии и конфигурации сети.

Проверка функциональности и надежности объектов сети осуществляется посредством проведения регламентных работ различного содержания: осмотров, измерений режимных параметров, испытаний, мониторинга. Результатом таких работ могут стать выявленные неисправности или «узкие места».

Последствия аварий и обнаруженных неисправностей устраняются в процессе проведения ремонтно-восстановительных работ, при которых производится временное отключение части абонентов. Взаимодействие с абонентами заключается в информационной поддержке деятельности сети, извещении абонентов о плановых отключениях и т. п.

Расширение и изменение конфигурации сети производится без прерывания текущего снабжения абонентов и осуществляется либо за счет существующих сооружений сети, либо за счет строительства новых. Этот процесс можно рассматривать как проектирование или реконструкцию подсетей более мелкого масштаба, нежели основная сеть.

Планирование деятельности предприятия, обслуживающего сеть, необходимо для обеспечения его эффективной финансово-хозяйственной деятельности. Оно производится на основе агрегированных эксплуатационных данных, экономических и иных прогнозов.

В ходе эксплуатации сети могут быть выявлены новые потребности в услугах сети, обнаружено несовершенство исходного проекта, кроме того, обязательно отслеживание неизбежного процесса устаревания оборудования сети. Все это приводит к необходимости реконструкции сети.

На этапе реконструкции осуществляется замена старых участков сети на новые либо всеобъемлющее изменение сети, сопровождающееся предварительным проектированием процессов реконструкции. Реконструкция, как правило, приводит к длительному перерыву в обслуживании абонентов. После реконструкции сеть снова переходит на этап эксплуатации.

Если потребность в услугах сети исчезает, то сеть может перейти на этапы консервации или ликвидации сети. Этап ликвидации сети завершает жизненный цикл сети. Этап консервации, в отличие от этапа ликвидации, не является последним в жизненном цикле. Сеть может быть законсервирована в случаях вероятности использования ее (или ее частей) в будущем либо при отсутствии материально-технических и/или финансовых возможностей для ликвидации сети.

Несмотря на значительные различия в типе транспортируемого продукта и технологиях, используемых эксплуатационными организациями, современные инженерные сети характеризуются рядом общих специфических особенностей [1]:

Типология инженерных сетей и классификация задач эксплуатации 1) обширным территориальным распределением и огромным числом элементов, формирующих систему;

2) непрерывным развитием в пространстве и во времени;

3) сложной иерархической структурой управляемой и управляющих систем и непосредственным наличием субъекта в контуре управления;

4) непрерывностью во времени процессов транспортировки и распределения целевого продукта;

5) высокой степенью централизации управления с одновременной децентрализацией оперативного управления технологическими процессами транспортировки и распределения целевого продукта;

6) инерционностью процессов транспортировки продукта и необходимостью создания его оперативных запасов в резервуарах и хранилищах.

Наличие общих специфических особенностей позволяет формировать обобщенные классы прикладных задач управления инженерными сетями (табл. 1.1) [6].

Задачи инвентаризации, паспортизации, учета Данный класс задач является базовым в управлении инженерными сетями. Все виды сетей имеют средства мониторинга объектов и оборудования с целью инвентаризации, паспортизации и учета. С учетом различных подходов к инвентаризации можно выделить некоторые характерные черты [6]. Во-первых, целью инвентаризации является точное определение наличия объектов, оборудования сетей и их уникальная идентификация. Во-вторых, цель инвентаризации состоит в выяснении состояния оборудования и степени его износа. Инвентаризация — непрерывный процесс, сопровождающий ввод в эксплуатацию новых объектов и оборудования, обследование эксплуатируемых и списание старых объектов и оборудования.

Эта задача тесно связана с паспортизацией объектов и оборудования. Паспорт объекта (оборудования) включает:

- типовые инвентарные данные (даты создания и ввода в эксплуатацию, балансовую стоимость, инвентарные и заводские номера, текущий износ);

- технологическую информацию об объекте (тип, ГОСТ, мощность, типовые значения эксплуатационных и иных параметров и т. п.);

- параметрическую информацию об объекте (текущие эксплуатационные параметры, которые могут быть отличны от типовых).

Классификация прикладных задач управления инженерными сетями Инвентаризация, Инвентаризация фондов сетей.

паспортизация, учет Паспортизация объектов и оборудования сетей.

Пространственное Ведение технологических схем.

моделирование сетей Ведение карт и планов расположения сетей.

Предпроектный анализ Расчеты нагрузок потребителей.

Моделирование Отслеживание, архивирование технологичежизненного цикла сетей ских событий, данных о неисправностях.

Эксплуатационный Расчеты режимов потокораспределения.

анализ Технологические и топологические расчеты.

Информационное Пространственные и атрибутивные запросы.

обеспечение процессов Генерация отчетов, справок.

управления и анализа Генерация планов работ инженерных сетей Отдельной задачей является учет расходования материалов и энергоресурсов в процессе эксплуатационной деятельности инженерных сетей. Эта задача имеет тесную связь с моделированием жизненного цикла объектов и оборудования сетей.

Задачи пространственного моделирования сетей Инженерные сети представляют собой пространственные объекты, имеющие, как правило, достаточно крупные масштабы. Взаимное расположение элементов инженерных сетей, их пространственная структура являются весьма важными характеристиками. Для эксплуатации любой инженерной сети необходима полная и достоверная информация о расположении объектов и оборудования сети, которая содержится в формах представления пространственной информации о сетях [6]:

Типология инженерных сетей и классификация задач эксплуатации - принципиальных (технологических) схемах сетей, в которых указаны параметры элементов сетей, потребителей, источников, состояний коммутаторов. Данные схемы представляют собой внемасштабное изображение структуры сети. Как правило, они могут иметь разные уровни детализации, представляющие ту или иную часть сети. В различных сетях для изображения объектов и оборудования используются разные типовые обозначения. Эта информация необходима для диспетчерских служб и отделов планирования конфигурации сети. Схемы являются источником данных для расчетных задач и задач анализа топологии;

- планах расположения объектов и оборудования сетей на местности. Содержащаяся в них информация необходима для эксплуатационных бригад, планирования строительства, согласования вскрышных и других работ, экологического анализа, анализа близости различных объектов на местности и объектов сетей, проведения различного вида расчетов. Карты и планы территорий, где проложена сеть, составляют топооснову, которая используется при разработке планов расположения объектов и оборудования сети. Топооснова должна иметь определенную точность, необходимую для привязки к ней объектов сети.

Содержащаяся в планах информация используется для решения задачи построения профиля участков инженерных сетей [7].

Задачи предпроектного анализа Задачи этого класса чаще всего ставятся при проведении реконструкции во время эксплуатации. К ним относятся расчеты нагрузок потребителей, календарных и часовых графиков их изменения, режимов работы источников [6]. Особенностью расчета нагрузок потребителей является невозможность их точного предварительного определения в ряде случаев.

В таких ситуациях используются типовые оценки для разных типов потребителей. Необходимость расчета календарных и суточных графиков нагрузок вызвана сильной зависимостью потребления от времени года и суток.

Задачи моделирования жизненного цикла объектов и оборудования Задачи моделирования жизненного цикла оборудования можно разделить на три основных вида [6]:

1) моделирование технологического состояния оборудования и событий. Для всех видов объектов и оборудования требуется иметь полную информацию о следующих событиях:

- времени обнаружения и устранения неисправностей;

- времени проведения регламентных и ремонтно-восстановительных работ с указанием исполнителей данных работ;

- динамике изменения остаточного ресурса;

2) отслеживание параметров оборудования, состоящее в регистрации и накоплении значений основных параметров оборудования, позволяющих проводить ретроспективный анализ их изменения. Это дает возможность предупреждать выход оборудования из строя, оценивать и учитывать его индивидуальные особенности;

3) отслеживание конфигурации сети во времени, заключающееся в накоплении информации обо всех изменениях режима работы элементов сети. Данная информация позволяет проводить ретроспективные анализы работы диспетчеров и режимов сети.

Эксплуатационный анализ К задачам этого класса относятся задачи расчета потокораспределения и режима, при решении которых используются следующие определения [6]:

- потокораспределение — набор величин значений потоков транспортируемого продукта в линиях передачи и значений потенциалов (давления, напряжения, очереди на обработку) в узлах инженерной сети;

- режим — набор значений управляющих параметров и соответствующее им потокораспределение. Режим должен удовлетворять потребителей сети с точки зрения обеспечения требуемых параметров.

Большинство задач эксплуатационного анализа базируются на предварительном вычислении потокораспределения [1]. Задачами данного класса являются:

- прямой расчет потокораспределения, составляющий основу решения большинства задач. Входными данными в задаче являются параметры оборудования и объектов сети, состояния коммутаторов, значения нагрузок абонентов. Результатом расчета является потокораспределение целевого продукта внутри инженерной сети. Прямой расчет потокораспределения дает информацию о функционировании сети и качестве обеспечения абонентов услугой;

- расчет режима, в котором входными данными являются параметры оборудования и объектов сети, текущие состояния коммутаторов, значения нагрузок абонентов и список управляемых параметров оборудования, доступных для регулирования. Результатом расчета явТипология инженерных сетей и классификация задач эксплуатации ляется режим. Расчет режима позволяет получить информацию о величине воздействия на сеть, необходимой для ввода в режим, удовлетворяющий поставленным эксплуатационным и абонентским требованиям;

- расчет требуемых технологических параметров, для которого входными данными являются параметры оборудования и объектов сети, текущие состояния коммутаторов, значения нагрузок абонентов и список технологических параметров оборудования, доступных для изменения. Результатом расчета будет являться режим и набор измененных технологических параметров. С помощью данного расчета могут быть определены параметры оборудования для вновь создаваемой или реконструируемой сети, а также решена режимная задача при изменении регулируемых параметров элементов сети;

- расчет потерь, в котором входными данными являются показатели потокораспределения. Результатом расчета является набор значений энергетических, тепловых, мощностных или иных потерь для всех элементов сети и для сети в целом. Расчет потерь предоставляет информацию об эффективности функционирования сети. Кроме того, он позволяет выявлять «узкие места» сети и проводить экономическое обоснование для изменения конфигурации или параметров оборудования;

- поиск участков сети с заданной топологией, для которого входными данными являются показатели конфигурации сети, а выходными — участки сети с заданной топологией (например, односвязные участки);

- оптимизационные расчеты, в которых входными данными являются параметры оборудования и объектов сети, текущие состояния коммутаторов, значения нагрузок абонентов. Оптимизация производится по потерям, расходуемой энергии либо другим критериям. Результатом является оптимальный режим и набор измененных технологических параметров. Оптимизационные расчеты предоставляют информацию по оптимальному конфигурированию сети: выбор режима, в котором оборудование действует с максимальной эффективностью; возможная замена оборудования для достижения оптимального результата.

Задачи информационного обеспечения процессов управления и анализа инженерных сетей К задачам информационного обеспечения относятся задачи, выполняемые непосредственно в автоматизированной системе управления территориально распределенными сетями [6]:

- построение запросов к графическим (пространственным) и атрибутивным данным;

- генерация отчетов, справок с использованием атрибутивных и графических данных;

- генерация планов работ с использованием необходимых графических видов, композиций.

Приведенная классификация задач позволяет сформировать приоритеты по степени необходимости их выполнения:

1) задача оперативного получения информации об инженерных сетях в любой части интересующей территории, включая здания и сооружения;

2) задача совместного представления различных инженерных сетей на едином плане (топооснове), реализуемая с использованием задачи систематизации на топографической основе информации об объектах сетей;

3) задачи полного отслеживания неисправностей, регламентных и ремонтно-восстановительных работ, а также контроля их сроков и качества выполнения;

4) задача ведения архива документов по всем объектам сети и эксплуатационным событиям, по результатам которой осуществляется сбор данных для решения задачи автоматизации формирования текущих документов и выходных форм отчетности;

5) задачи информационного обеспечения для планирования работ по реконструкции и ремонту инженерных сетей, а также автоматическое отслеживание остаточного ресурса оборудования.

Вышеперечисленные задачи необходимо решать различным службам предприятий, эксплуатирующим или проектирующим соответствующий вид инженерных сетей. Сегодня невозможно себе представить, чтобы эти задачи решались без применения современных компьютерных технологий, что подразумевает создание автоматизированной системы управления инженерной сетью. Современным АСУ присущи, прежде всего, черты информационных систем, поскольку весомая доля их функций приходится на работу с базами данных паспортной и оперативной технологической информации.

Если говорить об уровне автоматизации отдельных классов рассматриваемых задач, то наиболее высоким он является для задач, связанных с паспортизацией объектов сети. Автоматизация деятельности Типология инженерных сетей и классификация задач эксплуатации любого предприятия начинается, как правило, с решения проблемы перехода к безбумажной технологии ведения реестра объектов. Для автоматизации решения этой задачи применимы традиционные методы проектирования информационных систем [8].

Автоматизация прочих классов задач невозможна без создания сложной цифровой модели территориально распределенной инженерной сети. Компонентами цифровой модели должны быть: для задач представления сетей на картах и схемах — данные о координатной привязке и пространственном взаиморасположении объектов; для задач диспетчеризации и моделирования — данные о структуре сети и оперативная технологическая информация о ее параметрах; для задач оптимизации и анализа — данные о динамике изменения режимов сети, инфраструктуре и окружающей среде.

При создании информационных систем, решающих задачи управления инженерными сетями, объективно возникает ряд проблем, общих для разработки больших информационных систем со сложным программным обеспечением. Однако можно выделить проблемы, которые в той или иной мере можно считать специфическими, присущими только рассматриваемому классу информационных систем. Среди таких проблем основными являются следующие [9]:

1) информационная система должна выполнять большой блок геоинформационных функций, т. е. включать модули для визуализации и редактирования цифровых карт, выполнения пространственного анализа, поскольку решение задач, связанных с представлением сетей на топографических картах, топопланах и технологических схемах, требует хранения и оперирования пространственно привязанной информацией;

2) в информационной системе должна быть предусмотрена возможность установления между объектами сети различного рода отношений (топологических, ресурсных и др.), которые давали бы структурное определение сети, что обусловлено необходимостью хранения и оперирования информацией о структуре (топологии) сети для решения некоторых групп задач оперативного управления, оптимизации и др.

Автоматизированная информационная система, способная решать вышеперечисленные проблемы управления инженерными сетями того или иного типа, должна включать механизмы реализации формализованного математического описания модели данных ГИС с широкими возможностями по представлению неметрических отношений между пространственными объектами, а также методы и алгоритмы решения прикладных задач управления инженерными сетями и инструментальные средства для создания и развития программного обеспечения проблемно ориентированных ГИС. Возможным решением описанных выше задач является использование геоинформационных технологий в процессе эксплуатации инженерной сети, предназначенных, прежде всего, для создания базы данных об истинных параметрах и топологии сети (ведение кадастра сети) [6].

В геоинформационной системе множеству реальных физических объектов сети соответствует множество информационных объектов, представляющих собой формальное описание реального объекта или субъекта социально-экономических отношений.

Описание информационного объекта включает:

1) идентификатор информационного объекта;

2) параметры территориальной привязки;

3) семантические характеристики (атрибуты).

Идентификатором информационного объекта является признак или набор признаков, уникальное значение которых позволяет выделить этот объект из множества других экземпляров объектов данного типа.

Информация об экземплярах объектов различных типов хранится в системе. Идентификатор используется для однозначного определения экземпляра информационного объекта и организации информационного обмена в информационной системе предприятия.

Наличие территориальной привязки информационного объекта позволяет производить объединение данных об объекте в территориально административном разрезе. Территориальная привязка может задаваться в позиционном представлении или географическими координатами, а также в виде семантического признака.

Семантические характеристики (атрибуты) информационного объекта представляют собой совокупность признаков объекта. Состав атрибутов должен определяться с учетом их необходимости и достаточности для формального описания объекта при решении задач управления инженерной сетью.

Описание пространственных объектов в ГИС, т. е. формализованное представление их свойств, включает указание их позиционной и содержательной определенности. Позиционная часть описания данных организуется в определенные структуры пространственных данных, Моделирование топологических отношений в инженерных сетях связанных некоторыми отношениями с их непозиционными данными (атрибутами). Для того чтобы рассмотреть содержание любой инженерной сети, требуется указать возможные виды связей и взаимодействий, что достигается применением формализованного аппарата теории отношений.

1.2. Моделирование топологических отношений в инженерных сетях Для решения широкого круга задач, связанных с управлением территориально распределенными сетями, необходимо, чтобы сеть была представлена как граф, т. е. помимо задания метрических характеристик объектов (координат местоположения, длины и пр.) требуется задание неметрических отношений между объектами, которые в геоинформатике традиционно называют топологическими [6].

Топология — раздел математики, изучающий топологические свойства фигур (т. е. свойства, не изменяющиеся при любых деформациях, производимых без разрывов и склеиваний, а точнее при взаимно-однозначных и непрерывных отображениях). Примерами топологических свойств фигур являются размерность, число кривых, ограничивающих данную область, и т. д. [9]. Топологические свойства фигур (называемые также топологическими инвариантами) отличают от метрических, которые обычно связывают с расстояниями между точками, углами между линиями, ребрами фигуры и т. д. [10].

Топологические характеристики не имеют смысла при наличии единственного объекта. О них говорят только при наличии нескольких объектов, системы объектов, так как они характеризуют взаимоотношения объектов. Поэтому данные характеристики часто называют топологическими отношениями. Наиболее часто встречающимися топологическими отношениями между пространственными объектами являются [8]:

- связность — наличие определенным образом установленной и поддерживаемой взаимосвязи между объектами;

- соседство (примыкание, близость) — наличие у объектов общей границы, точек;

- вложенность (включение) — один из связываемых объектов содержит внутри себя (в графическом и/или географическом смысле) другой;

- пересечение — один из связываемых объектов пересекает другой и наоборот.

В геоинформатике применение термина «топологический» не такое строгое, как в математике и связано с возможностью включения информации о топологических характеристиках пространственных объектов в модель данных конкретной ГИС [11].

В существующих ГИС используются различные способы организации описания реальности посредством использования моделей данных.

Каждая модель имеет свою область применения, поэтому при необходимости решения большого числа задач следует использовать совокупность разных моделей [12]. Для лучшего понимания области представления данных в ГИС приведем несколько определений.

Определение 1. Представление пространственных данных, или модель пространственных данных — это способ цифрового описания пространственных объектов, тип структуры пространственных данных (способ структурного описания исходных данных) [6].

Выделяют четыре типа пространственных объектов: точечные (точки); линейные (линии); площадные (области, ареалы, полигоны); поверхности (рельефы). Объекты могут быть 0-, 1-, 2- и 3-мерные соответственно.

Модели пространственных данных могут иметь векторное или растровое представление, содержать или не содержать топологические характеристики, что позволяет классифицировать модели по трем типам [12]:

1) растровая модель;

2) векторная нетопологическая модель;

3) векторная топологическая модель.

Менее распространенной является гибридная модель, которая содержит характеристики как векторных, так и растровых моделей.

Определение 2. Растровая модель данных — это цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек растра (пикселов) с присвоенными им значениями класса объектов. Растровое представление предполагает позиционирование объектов указанием их положения в соответствующей растру прямоугольной матрице единообразно для всех типов пространственных объектов (точек, линий, полигонов и поверхностей) [13].

Определение 3. Векторная модель данных — это цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов в виде набора координатных пар модели [14]. Если помимо описания геометрии объекта путем перечисления координатных пар узлов Моделирование топологических отношений в инженерных сетях в модели присутствует описание некоторых топологических характеристик, то такая модель называется векторной топологической, иначе — векторной нетопологической [6].

Как векторные, так и растровые модели имеют ряд достоинств, определяющих сферу применения каждой из них. Например, растровые модели, в отличие от векторных, могут передавать полутона, применяющиеся при визуализации рельефов местности. К достоинствам векторных моделей можно отнести небольшой объем памяти, требуемой для хранения модели, и относительную простоту редактирования графического представления объектов [12, 13, 15].

При решении задач управления инженерными сетями наиболее предпочтительными оказываются векторные топологические модели, так как «основу анализа сетей определяет исследование связей между объектами, что задается топологией, или топологическими свойствами векторной модели» [12].

Для векторной модели характерным является послойный принцип организации пространственной информации. Суть его заключается в том, что многообразная информация о какой-либо территории организуется в виде упорядоченной совокупности тематических слоев [11]. В каждом слое хранится информация об однотипных объектах.

Существует три подхода к типизации пространственных объектов [8]:

1) тематический, в котором однотипными считаются объекты, относящиеся к одной теме (например, объект «река» и объект «озеро»

относятся к одной теме «гидрография»);

2) графический, в котором однотипными считаются объекты, относящиеся к одному классу векторных графических примитивов: точка, линия, полигон (в этом случае объект «река» и объект «озеро» не всегда относятся к одному типу, так как озеро всегда представляется в виде полигона, а река может представляться и в виде линии);

3) объектно-ориентированный, сочетающий в себе два предыдущих.

Определение 4. Совокупность тематических слоев, состоящих из объектов одного типа, описывающую единую область мирового пространства на основе векторной модели пространственных данных, называют векторной цифровой картой [8].

Послойная организация делает более гибким доступ к отдельным объектам и их тематическим совокупностям, а также упрощает пространственный анализ.

Существуют различные классификации топологических отношений, поддерживаемых современными ГИС [6]. При этом топологические отношения либо структурно заложены в векторную топологическую модель данных, используемую каждой конкретной ГИС, либо их поддержка обеспечивается дополнительно. Топологические отношения могут быть представлены отдельными видами [8].

Необъектные топологии. Малораспространенный подход, в котором картографическое изображение строится из топологически связанных примитивов (точек, линий и полигонов), каждый из которых не ассоциируется полностью с определенным пространственным объектом, а присутствует как общая составляющая сразу в нескольких объектах.

Топологические отношения между примитивами строятся на основе линейно-узловой топологии, которая подробнее рассмотрена ниже.

Объектные топологии. В модели данных ГИС объектного типа, как правило, каждый пространственный объект ассоциирован с одним объектом модели (как графическим, так и атрибутивным).

Подавляющее большинство современных инструментальных ГИС поддерживают так называемую внутриобъектную топологию. Это означает, что топологические отношения связывают отдельные части, из которых строится каждый отдельный объект. Например, отдельные сегменты полилинии связаны между собой отношениями соседства и при редактировании такая конструкция стабильна — нельзя вырвать отдельный сегмент.

Из известных на сегодняшний день инструментальных ГИС внутриобъектную топологию поддерживают: Maplnfo Profes-sional (Maplnfo Corp., США), AtlasGIS (ESRI, США), отечественная GeoCAD System (Новосибирск) и др.

Естественно, что внутриобъектной топологии недостаточно, если модель должна включать описание отношений между отдельными объектами. Такой вид топологических отношений получил название межобъектных топологических отношений, или межобъектной топологии.

В данном виде топологических отношений выделяют:

- узловые и линейно-узловые;

- межобъектные в пределах одного слоя;

- межслойные межобъектные;

- топологические межобъектные ресурсные связи;

- концептуальные топологические отношения.

Моделирование топологических отношений в инженерных сетях Линейно-узловые и, более редкий вариант, узловые топологические отношения являются наиболее распространенным подвидом межобъектных топологий, поддерживаемых рядом ГИС.

Достоинствами линейно-узловой идеологии можно считать:

- экономию памяти – совместное хранение координат общих узловых точек для смежных объектов не порождает избыточность;

- возможное увеличение скорости отрисовки совокупности объектов в некоторых случаях за счет однократной прорисовки общих линейных сегментов (это преимущество используется не во всех ГИС, следующих этой идеологии).

К недостаткам линейно-узловой идеологии относятся:

- использование глобального списка точек, лишающее объекты структурной автономности, т. е. невозможность изменения формы или положения объекта без вовлечения соседних объектов, что приводит к крайне затруднительной для пользователя процедуре редактирования карт;

- возможность связывания линейно-узловыми топологическими отношениями только полилинейных и полигональных объектов (без точечной или условно-точечной привязки);

- отсутствие информации о поддержке межслойных линейно-узловых топологических отношений базовыми структурами и функциями универсальных ГИС с такой идеологией;

- использование только одного типа топологических отношений — смежности (примыкания), отсутствие поддержки других видов (например, вложенности).

Яркими примерами ГИС, поддерживающих линейно-узловые топологические отношения, являются продукты фирмы ESRI (США) — Arc/Info, ArcView.

Некоторые развитые ГИС имеют возможность создавать сразу несколько видов межобъектных топологий. Наиболее ярким примером такой ГИС может служить AutoCAD Map (AutoDesk Inc., США). Этот пакет, являясь наследником мощных средств САПР, интегрированных с ГИС, предлагает развитые средства для построения моделей территориально распределенных инженерных сетей. В частности, AutoCAD Map поддерживает три типа топологии: узловую, сетевую и полигональную.

Задав топологию в нескольких отдельных слоях, можно осуществлять операцию комбинирования этих топологий.

Как уже отмечалось ранее, одним из принципов цифрового картографирования является тематическое послойное деление. Особенностью территориально распределенных инженерных сетей является как большое (до нескольких десятков) число типов объектов сети, так и большое (до нескольких тысяч) число описываемых объектов. Следовательно, желательным было бы разнесение в разные слои объектов территориально распределенных инженерных сетей различных типов. Однако это желание порождает следующую проблему: лишь небольшое количество универсальных ГИС поддерживает межслойные топологические отношения, а не только отношения между объектами в пределах одного слоя. Например, ГИС AutoCAD Map позволяет задать топологию в пределах одного слоя, для межслойного пространственного топоанализа необходимо выполнение дополнительных процедур.

Топологические ресурсные связи — это топологические отношения, которые кроме обозначения пространственных топоотношений отражают расположение в пространстве реальных физических каналов передачи вещественных, энергетических и информационных ресурсов через границы объектов, отражаемых на цифровой карте [8]. Ресурсная связь, таким образом, расширяет понятие топологических отношений. Ресурсные связи позволяют выделить из всей совокупности пространственных отношений между объектами инженерных сетей (близости, включения и пр.) отношения, задающие топологию сети для моделирования физических процессов распределения ресурсов.

Также существует понятие концептуальных топологических отношений [8], позволяющих устанавливать топологические отношения между целыми классами связываемых объектов. Данное понятие вводится непосредственно для так называемых объектно-ориентированных ГИС, которые используют парадигму объектно-ориентированного проектирования (ООП) как для структурной организации самой инструментальной ГИС, так и для описания предметной области и построения прикладной ГИС.

В качестве некоторых правил выделения концептуальных топологических отношений, как правило, вводят следующие:

- объекты класса «здания» не должны пересекать границы объектов класса «земельные участки»;

- объекты класса «здания» не могут накладываться на объекты классов «дорога» или «река»;

Моделирование топологических отношений в инженерных сетях - изображенная на карте энергетическая подстанция из соответствующего класса должна быть обязательно подключена к соответствующей кабельной сети и др.

Концептуальные топологические отношения, установленные для классов объектов, предполагают автоматическое их установление и для экземпляров этих классов.

Проведенный авторами анализ современных универсальных ГИС показывает, что модели данных ни одной из таких систем не обладают достаточной полнотой и гибкостью для представления данных об объектах территориально распределенных инженерных сетей. Описание модели данных должно быть определенным образом формализовано, т. е.

опираться на уже существующие или разрабатываемые математические аппараты, в первую очередь в части формализации топологических отношений.

Общим недостатком подходов к формализации топологических отношений можно считать излишнее стремление к универсальности, которое приводит к слабой применимости предложенных моделей непосредственно при разработке модели данных, описывающей территориально распределенные инженерные сети. Использование нераспространенных моделирующих аппаратов делает модель закрытой для широкого круга разработчиков информационных систем.

В связи с этим актуальным представляется создание формальной векторной топологической модели данных на основе более доступных средств математики, например на основе аппарата теории множеств.

Для управления территориально распределенной инженерной сетью модель данных инженерной сети должна быть максимально абстрагирована от частных особенностей конкретных видов сетей и иметь возможность легкой настройки и адаптации при создании той или иной проблемно-ориентированной системы управления инженерными сетями выбранного типа.

Авторами предлагаются принципы построения моделей территориально распределенной сети.

Первый принцип: модель данных территориально распределенной инженерной сети должна включать средства описания не только технологических объектов (их пространственных характеристик и атрибутов), но и описания предметной области в целом (описания классов объектов, атрибутов классов, назначение объектов в ресурсной сети и пр.).

Следовательно, разрабатываемая модель данных должна являться результатом интеграции двух составляющих: метаданных (описания предметной области в целом) и предметной составляющей (значения атрибутов конкретных объектов инженерных сетей).

Второй принцип: модель данных должна включать в себя средства представления как пространственных, так и атрибутивных характеристик объектов инженерных сетей, причем в модели должна присутствовать возможность одновременного представления пространственных характеристик объектов инженерных сетей на нескольких разномасштабных картах и технологических схемах.

Отличие векторных топологических моделей пространственных данных от нетопологических состоит в наличии специальных средств описания топологических отношений между пространственными объектами.

Однако, как показывает проведенный анализ, учет только топологических отношений недостаточен при представлении структуры инженерной сети.

Третий принцип: модель данных территориально распределенной инженерной сети должна описывать различные типы отношений между пространственными объектами. Поэтому предлагается подход к представлению в моделях данных ГИС комплекса отношений различных типов между пространственными объектами.

В рамках решаемой проблемы управления инженерными сетями авторами данного исследования предлагается выделить следующие типы отношений между объектами:

- топологические, вытекающие из взаиморасположения объектов в топологическом пространстве, в частности на местности;

- ресурсные, отражающие связь объектов между собой в части выполнения функций по транспортировке какого-либо продукта (ресурса);

- иерархические, указывающие на принадлежность объектов к отношениям типа «хозяин–подчиненный», «родитель–потомок», «целое–часть» и т. д.;

- логические — прочие виды отношений, определяющих взаимное влияние объектов в рамках модели.

Как показывает практика, пространственные объекты инженерных сетей (особенно технологические) легко поддаются типизации: выделяются подмножества объектов, выполняющих одинаковые функции и обладающих одинаковым набором свойств, которые нужно учитывать Моделирование топологических отношений в инженерных сетях при решении ряда прикладных задач. При этом отмечается, что объекты одного типа вступают, как правило, в одни и те же отношения с объектами других типов и между собой. Следовательно, можно выделить в отдельную группу отношения между типами (классами) пространственных объектов (концептуальные отношения).

Любая пара типов или экземпляров объектов может находиться в отношениях более чем одного типа одновременно. В этом случае предлагается рассматривать композицию отношений.

Четвертый принцип: модель должна давать возможность описания сразу нескольких территориально распределенных инженерных сетей с разными транспортируемыми ресурсами.

Пятый принцип: для формализованного описания модели данных инженерных сетей следует использовать выбранный в результате анализа математический аппарат теории множеств; при этом одни составляющие модели будем представлять как базовые множества, а другие — вводить через базовые операции над множествами, такие как объединение, пересечение, прямое произведение и т. д.

Глава

МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНЖЕНЕРНЫХ СЕТЕЙ

2.1. Алгебраическая модель инженерной сети Плоская алгебраическая модель инженерной сети Формально инженерная сеть S описывается в работах [16–18] следующим образом:

где W — множество объектов, образующих инженерную сеть;

С — множество технико-экономических характеристик сети;

A(WО) — множество состояний объектов;

F(WО) — множество функций, выполняемых объектами инженерной сети;

D — множество пользователей (подразделений), эксплуатирующих объекты сети;

H — множество потребителей конечного продукта.

Основной функцией инженерной сети является обеспечение множества потребителей конечным продуктом, т. е. приведение объектов WО в необходимое состояние A(WО), при котором они должны выполнять множество функций F(WО) под руководством эксплуатационных служб.

Инженерная сеть может разделяться на множество эксплуатационных участков сети S = (S1 U S2 U... U SN ), Si = WiO, Ci, A WiO, F WiO, Di, Hi где i — номер эксплуатационного участка. Данное разбиение позволяет повысить эффективность управления за счет обозримости каждого отдельного участка путем выделения отдельных элементов сети по принадлежности к отдельным этапам технологического процесса.

Процесс транспортировки продукта по функционирующей сети может быть описан вектором (направлением), что позволяет использовать ориентированный граф (множество точек, соединенных между собой направленными отрезками) для представления каждого уровня сети.

Такое описание является общепринятым в мировой и отечественной практике.

Как правило, в литературе графы обозначаются с помощью символической формы W = {U, G}, где U — множество вершин графа, G — множество ребер графа. Множество вершин U графа представлено множеством некоторых элементов u ( u U ), причем каждый элемент ui имеет отношения с одним или несколькими элементами другого множества G. Данное формальное описание инженерной сети с использованием теории множеств и теории графов будем называть плоской моделью территориально распределенных инженерных сетей. В инженерных сетях независимо от их назначения можно выделить ряд общих с точки зрения топологии элементов (объектов) (рис. 2.1) [6]:

1) источник — узловой элемент. В электроснабжении это может быть источник напряжения, трансформаторная подстанция; в водоснабжении — водонапорная башня, скважина; в теплоснабжении — котельная, ТЭЦ. Источник может иметь два состояния: «включен» или «отключен»;

2) потребитель — узловой элемент. Это потребители воды, газа, электрической и тепловой энергии. Потребитель может иметь два состояния: «подключен» или «отключен»;

3) отсекающее устройство (коммутатор) — узловой элемент. В трубопроводных сетях — это запорная арматура (вентили, задвижки, краны); в электроснабжении — рубильники, выключатели, контакторы.

Коммутатор может иметь два состояния: «открыто» или «закрыто»;

4) простой узел, служащий для соединения участков и всегда имеющий одно состояние — «открыто»;

5) участок — линейный объект, соединяющий пару узлов. Это кабели, ЛЭП, участки трубопроводов. В зависимости от конкретной реализации участок может иметь состояния: «открыт» или «закрыт». Кроме того, участок имеет направление от начального узла к конечному узлу.

Следует отметить, что в реальной сети коммутационное оборудование обычно расположено в узлах сети и образует в совокупности с ними узлы распределения. Кроме того, имеется еще один тип узлов — узлы преобразования, в которых происходит изменение рабочих параметров транспортируемого продукта, (трансформаторы, насосы, регуляторы давления и т. п.).

Создаваемая для расчетов сеть является моделью, а не полной копией реальной сети. Модели имеют ряд упрощений, суть которых состоит в однолинейном представлении участков, изменении степени детализации, необходимой настройки точности и подробности изображения.

Рис. 2.1. Пример внутренней структуры плоской инженерной сети В некоторых сетях отдельные фрагменты содержат несколько параллельно идущих участков. Для модели не является обязательным представление сети в виде отдельных элементов. Пользователь задает представление участков сети одним объектом, а расчетная задача, если это необходимо, интерпретирует внешнее представление сети необходимыми элементами. Таким образом, для расчетной модели инженерной сети возможно однолинейное представление участков.

Степень детализации при изображении сети может быть разной в зависимости от требований модели. Например, в водопроводной сети могут присутствовать сотни задвижек, назначение которых — перекрывать те или иные участки сети. Модель может быть построена так, что изображение задвижек будет необязательным. Вместо задвижки можно просто включать/отключать сам участок (рис. 2.2), а физическое влияние задвижки отразить в атрибутах с помощью коэффициента местного сопротивления. Показанные на рис. 2.2 схемы эквивалентны, но правая схема содержит на три узла и три участка меньше по сравнению с их числом на левой схеме. Когда таких «лишних» объектов тысячи и для них нужно заносить десятки атрибутов, время ввода существенно замедляется.

Рис. 2.2. Сравнение различных видов представления инженерных сетей:

а — начальная схема сети; б — упрощенная схема сети Геодезическая точность задания координат и обязательное наличие всех точек переломов на участках в некоторых расчетных задачах не имеют большого значения. Например, повороты и изгибы проводника никак не влияют на силу протекающего в нем тока. Важна общая длина провода, которую можно задать как атрибут. С одной стороны, очень удобно, когда расчетный граф сети привязан к местности, но, с другой стороны, ввод упрощенной схемы сети позволяет инженерам быстро начать расчеты. Таким образом, точность и подробность изображения не являются обязательными условиями при построении расчетной модели инженерной сети.

На рис. 2.3 изображены два способа задания одного и того же участка тепловой сети. Верхний участок соединяет узлы прямой линией.

Нижний участок соединяет те же узлы, но линия выполнена с прорисовкой П-образных компенсаторов, которые по определенным законам влияют на гидравлическое сопротивление сети.

Рис. 2.3. Два способа задания одного и того же участка сети По изложенным выше причинам множество объектов паспортизации и множество объектов расчетной модели одной и той же сети не являются полностью идентичными. Например, один расчетный участок может состоять из нескольких эксплуатационных. Попытка использовать инвентаризационные объекты в качестве объектов расчетной модели приводит к ее значительному и неоправданному усложнению. С одной стороны, достаточно удобно, когда расчетный граф сети привязан к местности. С другой стороны, качественный в плане геодезической привязки и полный в плане паспортизации ввод элементов сети существенно отдаляет момент начала расчетов, ничего не добавляя к ним содержательно.

Поэтому во многих организациях схема сети для паспортизации и технологическая схема для расчетов ведутся параллельно, хотя это и требует последующего согласования нескольких представлений одной и той же сети.

Многоуровневая модель инженерной сети Приведенная плоская модель территориально распределенных инженерных сетей может быть расширена при использовании различных иерархических уровней представления ее объектов. Пусть каждая вершина верхнего уровня содержит подсеть следующего уровня uij ={ ij, Gij}, где i — номер уровня, j — номер вершины на i-м уровне. Например, в сети городского водоснабжения участками являются водозабор, насоснофильтровальная станция, городская распределительная сеть, магистральные водоводы и т. д. В свою очередь, городская распределительная сеть делится на участки, питающиеся от разных подъемных насосных станций.

Таким образом, множество объектов сети можно представить трехуровневой структурой (рис. 2.4) [1]. Объектами первого уровня W1O являются эксплуатационные участки; объектами второго уровня W2O — сооружения, колодцы и прокладки; объектами третьего уровня W3O — внутренние схемы колодцев и сооружений, состоящие из оборудования (насосов, обратных клапанов, задвижек) и соединяющих их труб.

В сети водоснабжения на первом уровне вершинами множества U являются водозабор, насосные станции, городская сеть, а ребрами G1 — магистральные водоводы. На втором уровне — U2 = {C, K}, где C — множество сооружений, K — множество колодцев; G2 — множество прокладок.

Рис. 2.4. Пример трехуровневого представления инженерной сети Третий уровень в иерархической структуре сети водоснабжения представляет больший интерес, так как непосредственно на нем решаются задачи инвентаризации и оптимального управления (для водопроводных систем это гидравлические расчеты). Вершинами множества U будут являться источники давления, потребители (точки расхода) и места пересечения труб. Множество ребер G3 представляется участками труб, насосами, задвижками, регуляторами расхода и давления.

Помимо направленности процессов транспортировки в инженерных сетях есть и второе важное свойство — однозначная топологическая привязка: для каждого элемента сети можно указать соответствующую составляющую процесса транспортировки (поступление продукта, потребление, выдача или вообще отсутствие информации). На основе этих двух свойств картину интерпретации потоков в инженерной сети можно представить, как показано на рис. 2.5.

из внешней среды На основе вышеописанного междууровневые отношения в инжеn нерной сети можно представить в виде Wi = U Wi 1, где i — номер теj = кущего уровня сети; j — номер подсети нижнего уровня; n — число подсетей на нижнем уровне.

Взаимодействие объектов на различных уровнях инженерной сети Правила выполнения различных действий над графами предполагают в качестве основы применение такого понятия, как «отображение множеств». Пусть g i = Гui — оператор отображения. Тогда граф можно записать в виде W = {U, Гu}, где W считается заданным, если задано непустое множество U и отображение Гu.

Правила выполнения действий с инженерными сетями будут основываться на действиях над графами («традиционных» операциях над множествами: объединении сетей, пересечении сетей, разности сетей) и специальных действиях, таких как выборка сетей, сечение сети, разрез сети, вставка сети и стягивание сети, учитывающих особенности построения структуры инженерных сетей [18].

Объединение сетей: W(U, Гu) = W (U1, Г1u) UW2 (U2, Г2u, где U =U1 UU2, Гu = Г1u U Г 2u U Г12u, а Г12u — множество операторов отображения, объединяющих множества вершин. На рис. 2.6 приведен пример объединения сетей (рис. 2.6, а и б). Результат действия объединения (рис. 2.6, в) получается путем задания объединяющего множества вершин, указания существующих в исходных сетях связей и введения новых связей, в частности отображений (U 2, U 6 ) и (U 3, U 5 ). Данное действие необходимо выполнять при включении новых участков в инженерную сеть.

Рис. 2.6. Объединение сетей: a, б — первая сеть W1(U1, Г1u) и вторая сеть W2(U2, Г2u) операции объединения; в — результат W(U, Гu) операции объединения первой и второй сетей Пересечение сетей: W(U, Гu) = W (U1, Г1u) IW2 (U2, Г2u), где U =U1 IU2, Гu = Г1u I Г2u. При выполнении операции пересечения видно, что общих вершин у рассматриваемых сетей, представленных на рис. 2.6, нет.

Поэтому обратимся к другому варианту, представленному на рис. 2.7.

Две сети (рис. 2.7, а и б) имеют как общие, так и различные вершины и отображения. На общих вершинах и отображениях образуется сеть пересечения (рис. 2.7, в).

Рис. 2.7. Пересечение сетей: a, б — первая сеть W1(U1, Г1u) и вторая сеть W2(U2, Г2u) операции пересечения; в — результат W(U, Гu) операции Разность сетей: W (U, Гu) = W1 (U1, Г1u) \ W2 (U 2, Г2u). Вершины сети разности W(U, Гu) (рис. 2.8, в) сетей, представленных на рис. 2.8, а и б, находятся как разность множеств U1 и U 2 : U = U1 \ U 2, т. е. разность сетей представляет все вершины сети W1 за исключением общих вершин с сетью W 2.

Рис. 2.8. Разность сетей: a, б — первая сеть W1(U1, Г1u) и вторая сеть W2(U2, Г2u) операции разности; в — результат W(U, Гu) операции разности Отображением для каждой вершины сети W(U, Гu) является разность между множеством отображаемых вершин W1 (U 1, Г 1u ) и отображением рассматриваемой вершины в графе, т. е. ui = 1u \ 1ui (см. рис. 2.8).

По аналогии со специальными реляционными операциями, определенными Коддом, введем специальные сетевые действия (выборку и сечение сетей, разрез, вставку и стягивание сети), модифицированные с учетом того, что их операндами являются участки сетей, а не отношения.

Выборка сетей: W(U, Гu) = Choice ( W1 (U1, Г1u ), Conditions). Операция Choice() возвращает подсеть, содержащую все узлы и ребра, удовлетворяющие определенным условиям Conditions, в сеть W(U, Гu).

Пример операции выборки приведен на рис. 2.9. На сеть W1 (U1, Г1u ), изображенную на рис. 2.9, а, накладываются различные условия выборки:

1) Conditions = «Выбрать все элементы подсети, принадлежащие первому кварталу» (рис. 2.9, б);

2) Conditions = «Выбрать все элементы подсети, расположенные на улице …» (рис. 2.9, в);

3) если Conditions = 0, то W(U, Гu) = W1 (U1, Г1u ).

Рис. 2.9. Выборка сети: a — сеть W1(U1, Г1u), на которой необходимо выполнить операцию выборки; б — результат W(U, Гu) операции выборки для условия (1); в — результат W(U, Гu) операции выборки для условия (2) Сечение сети: W(U, Гu) = Section ( W1 (U1, Г1u), Г0u). Результат операции Section — это разделяющее множество, составленное из минимальной совокупности ребер, при удалении которых нарушается его связанность.

На рис. 2.10 представлен пример сечения сети (рис. 2.10, а) и разделяющего ее множества ребер (рис. 2.10, б). Сечение задается перечнем входящих в него ребер, число которых будем называть рангом сечения.

Как правило, необходимо рассматривать сечение инженерной сети, заданное относительно источников сети для определения зоны их влияния.

Рис. 2.10. Сечение сети: a — сеть W1(U1, Г1u), на которой необходимо выполнить операцию выборки; б — разделяющее множество ребер Г0u Разрез сети: W(U, Гu) = Cut ( W1 (U1, Г1u ) ). Для изменения структуры и связанности сети из нее удаляются отдельные вершины и связанные с ними исходящие или входящие дуги.

Пусть рассматриваются пути между вершинами U 5 и U 8 (рис. 2.11).

Зададим на графе W1 (U 1, Г1u ) подмножество вершин L, чтобы вершина U 5 L, U 8 L. Тогда разрез (5–8) образуется при удалении вершин, принадлежащих подмножеству L, в которые заходят дуги, рассекающие в совокупности все пути (5–8).

Вставка сети: W(U, Гu) = W2 (U2, Г2u) W1(U1, Г1u). Сеть W(U, Гu) — это вставка подсети нижнего уровня в сеть верхнего уровня (рис. 2.12).

Вершина U 0 верхнего уровня (рис. 2.12, а) заменяется множеством вершин и ребер нижнего уровня (рис. 2.12, б). Результирующая сеть показана на рис. 2.12, в.

Рис. 2.12. Вставка сети: a — сеть верхнего уровня W1(U1, Г1u); б — подсеть нижнего уровня W2(U2, Г2u); в — результат W(U, Гu) операции вставки подсети нижнего уровня в сеть верхнего уровня Стягивание сети: W (U, Гu ) = W2 (U 2, Г 2u ) W1 (U1, Г1u. Замена подсети нижнего уровня одним узлом в сети верхнего уровня (операция обратная операции вставки).

Вышеописанные операции будем называть операциями сетевой алгебры. Под алгеброй, как правило, понимают математический аппарат для формального структурированного описания алгоритмов функционирования систем. Сетевая алгебра — математический аппарат для манипулирования сетевой моделью данных с операциями, приведенными выше.

Данные операции находят практическое применение в задачах определения возможностей взаимосвязи двух узлов сети в случае выхода из строя некоторых промежуточных узлов, когда узел и участки, примыкающие к нему, оказываются неработоспособными (например, при аварии) и становится невозможным прием или транспортировка целевого продукта к другим узлам. В теоретическом отношении эти ситуации соответствуют концепциям описанных выше процедур и позволяют оценить принципиальные возможности реализации процессов транспортировки продукта в отдельных участках сети в различных условиях (отслеживание и отработка (моделирование) переключений), а также рассчитать значения характеристик потоков (выполнение гидравлических и энергетических расчетов) и обеспечить тематический анализ схемы.

2.2. Унификация параметров и функций алгебраической модели инженерной сети Общие положения по разделению конкретных сущностей по классам абстракций Для качественного разделения объектов по классам и наиболее простого и в то же время полного описания, удобного для анализа, необходимо выработать единую методику абстракции конкретных сущностей реального мира инженерных сетей на основе унификации их параметров и функций. Общие положения по разделению конкретных сущностей по классам состоят в следующем. На верхнем уровне инженерной сети выделяется абстрактный объект, для которого определяются присущие множеству объектов сети общие характеристики: уникальное имя объекта, его тип (принадлежность к тому или иному виду сущностей), состояние. Набор возможных состояний будет расширяться по мере конкретизации описания объекта. Объект характеризуется списком подобъектов, находящихся в его составе. Функции выделенного абстрактного объекта (изменение состояния объекта, добавление нового объекта и исключение определенного объекта из состава) могут рассматриваться как общие для множества объектов, входящих в сеть (рис. 2.13)1.

Рис. 2.13. Представление абстрактного объекта инженерной сети Рисунки 2.13–2.23 выполнены по материалам работы Сарычева Д.С. [4].

Унификация параметров и функций алгебраической модели… Следующий уровень абстракции представлен такими объектами, как оборудование, строительные сооружения, линии, производственнотехнологические участки. Поскольку каждый вид сетей на данном уровне может быть конкретно детализирован, объекты данного уровня описываются как «специфические».

Общими характеристиками для любого вида абстрактного оборудования могут быть следующие:

1) обязательное инвентарно-производственное описание;

2) некоторый количественный показатель износа оборудования и балансовая стоимость;

3) тип оборудования (это перекрывает тип объекта), марка и конкретное исполнение;

4) исполняемая технологическая функция.

К стандартным методам объекта добавляются формирование инвентарного отчета, выдача информации о типовых (справочных) параметрах оборудования данного типа, марке и исполнении. Данное описание предназначено для целей инвентаризации, получения интегральных экономических оценок, а также расчетно-аналитических целей (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Представление абстрактного оборудования инженерной сети Строительное сооружение может выполнять разные роли: несущую, защитную, технологическую. Строительное сооружение имеет ряд технологических отличий от прочих объектов. Все они отражены в модели (рис. 2.15). Важнейшей характеристикой строительного сооружения является строительная спецификация. Для дальнейшего пространственного моделирования и поиска выделяются размеры и конфигурация сооружения, а также адрес (пространственный индекс).

Рис. 2.15. Представление абстрактного сооружения Линия — важнейшая часть инженерной сети — предназначена для передачи продукта на значительное расстояние (рис. 2.16). Как правило, линия состоит из прокладок (труб, хлыстов, отрезков кабелей, отрезков дороги) и мест их стыковки (стыков, муфт, переходов, перекрестков).

Рис. 2.16. Представление абстрактной линии Унификация параметров и функций алгебраической модели… Линия характерна тем, что она имеет свойства, получаемые путем интеграции свойств подобъектов, таких как длина, максимальная пропускная способность и т. п. Соответственно, имеет место функция сборки значений данных свойств. Кроме того, линия как протяженный объект имеет геометрическое описание в виде ломаной (осевая линия на плоскости или в пространстве) либо в виде полигона (контур площади, занимаемой линией). Геометрическое описание линии является совокупностью геометрических описаний объектов, входящих в ее состав.

Как правило, для удобства их объединяют с некоторым упрощением в обобщенное геометрическое описание всей линии.

Производственно-технологический участок (ПТУ) представляет собой совокупность линий, строительных сооружений, отдельных оборудований и ПТУ более мелкого уровня. Он характерен наличием функций управления участком в самом широком смысле. Они используют некоторые параметры управления, такие как нормативные документы, рекомендации, указания диспетчерским службам и т. п. (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Представление абстрактного производственно-технологического Более детальное моделирование объектов инженерных сетей подразумевает обобщение, объединение однотипных объектов в классы, составление перечня свойств и методов этих объектов, приведение их к единому набору свойств и методов.

Моделирование жизненного цикла объектов сетей Моделирование жизненного цикла распадается на три задачи: отслеживание событий; отслеживание параметров; отслеживание переключений состояний сети. Для их решения предлагается использовать соответствующие модели. Основной сущностью для описания жизненного цикла объектов сетей является событие — любая совокупность работ (действий), производимых системой управления над объектом сети. Это могут быть измерения параметров, ремонтные работы и другие действия (рис. 2.18).

Рис. 2.18. Представление абстрактного события Унификация параметров и функций алгебраической модели… Любая информация об изменении состояния объекта инженерной сети появляется при возникновении очередного события. Это может быть информация об обнаруженных и устраненных неисправностях, изменении параметров объекта, зафиксированных в результате измерений.

Представление абстрактной работы показано на рис. 2.19.

Рис. 2.19. Представление абстрактной работы Функция «Регистрация окончания работы» может вызвать функции «Обнаружение неисправности» и «Ликвидация неисправности» у события, в составе которого происходит работа. Функции «Регистрация начала работы» и «Регистрация окончания работы» вызываются из функции события «Выполнение работы». Неисправности обнаруживаются в процессе выполнения работ. Некоторые из них могут быть устранены прямо в ходе выполнения работ события, а некоторые могут оставаться неустраненными в течение определенного времени. В соответствии с типом неисправности должна осуществляться автоматическая выдача рекомендаций, например, по составлению графика плановых ремонтов, составлению списка переключений запорного оборудования и т. п. (рис. 2.20).

Измерения значений параметров предлагается моделировать при помощи объекта, изображенного на рис. 2.21. Здесь находит отражение такая информация, как условия проведения измерений, что часто является важным.

Рис. 2.20. Представление абстрактной неисправности Рис. 2.21. Представление абстрактного измерения параметров На рис. 2.22 изображена информационная структура, моделирующая жизненный цикл объектов инженерной сети. На графике изображены жизненные линии работ, неисправностей, параметров некоторого объекта инженерной сети. Данная информационная структура позволяет решать две задачи — отслеживание событий и отслеживание параметров.

Унификация параметров и функций алгебраической модели… Рис. 2.22. Фрагмент жизненного цикла объекта инженерной сети Третья задача, имеющая место при моделировании жизненного цикла инженерных сетей, — задача отслеживания переключений состояний объектов. Это могут быть переключения коммутаторов (автоматические или производимые системой управления) либо переключения режимов работы агрегатов инженерной сети. Конечно, их можно рассматривать как события, однако зачастую они происходят автоматически и могут быть весьма частыми. Поэтому предлагается ввести отдельный объект «Изменение состояния», который будет создаваться автоматически при вызове функции «Изменение состояния» у объекта (рис. 2.23).

Рис. 2.23. Представление объекта, моделирующего изменение состояния Все эти модели позволяют полностью описать инженерную сеть как совокупность объектов, выстроенных в некоторую иерархию. Каждый из объектов имеет свою историю, которую можно проследить, совершив соответствующие выборки из множества моделей, описывающих жизненный цикл. Данное описание сети было использовано авторами при построении объектно-ориентированной модели инженерной сети, реализованной на платформе веб-ГИС-сервера, предназначенного для решения задач управления инженерными сетями.

2.3. Представления структур данных для решения задач моделирования инженерных сетей Как уже было сказано выше, для решения задач моделирования инженерных сетей удобно использовать представление сети в виде ориентированного графа. В ходе решения задач моделирования граф может использоваться либо непосредственно как основа для решения, либо как промежуточное представление, по которому строятся системы уравнений или иные математические модели. Использование представления в виде графа позволяет учитывать такое важное свойство сети, как топология (см. гл. 1).

На рис. 2.24 приводится обобщенная иерархия возможных вариантов хранения графа в оперативной памяти для решения задач моделирования инженерных сетей.

Представления структур данных для решения задач моделирования… Рис. 2.24. Обобщенная иерархия возможных вариантов хранения графа Хранить данные можно в виде матрицы или списка, это два классических подхода и их преимущества и недостатки хорошо известны.

В матрице можно хранить как информацию о связи вершин (матрица смежности), так и информацию о связи ребер (матрица инцидентности). Хранить граф в виде матрицы удобно, когда количество связей между элементами велико (|G| сравнимо с |U|2, см. параграф 2.1). Если граф неориентированный, то количество хранимых элементов можно уменьшить в два раза, так как матрица получается симметричной относительно главной диагонали. Такой способ хранения возможен при использовании динамических структур данных, но сложнее в реализации.

К тому же зачастую приходится иметь дело с ориентированными графами, и, следовательно, использовать всю матрицу целиком.

В случае представления модели дорожной сети типичное количество инцидентных вершине ребер равно четырем (перекресток), поэтому матрица получается сильно разреженной (при количестве ребер, равном 4000, реально использоваться будет меньше 0,1 % занимаемой матрицей памяти). В таких ситуациях целесообразно использовать списки.

Список тоже можно организовать по-разному. Вариации в основном отличаются типом связи между элементами списков. Можно обеспечить связь между элементами списка по их индексам, но тогда пострадает скорость работы. Часть времени будет затрачиваться на поиск элемента по индексу, и, если учитывать количество вызовов этой операции даже при одном проходе по графу, получается ощутимый проигрыш во времени.

Гораздо эффективнее использовать связь по ссылкам, когда один элемент списка хранит указатели на другие элементы, связанные с ним, а не индексы элементов. Определить связанность двух вершин с использованием ссылок можно так же быстро, как и при работе с матрицами.

Данные могут храниться в одном или двух связанных списках, в результате чего получаем три различных варианта хранения данных в списке, основанном на ссылках: вершинную структуру, реберную структуру и комбинированную.

Вершинная структура Создается список вершин (рис. 2.25) [19]. Каждая вершина помимо общей информации содержит список записей о ребрах, инцидентных этой вершине, которая включает ссылку на соседнюю вершину. Это классический способ хранения, который используется в научных исследованиях при рассмотрении примеров работы с графами. В этом способе хранения имеется недостаток — дублирование информации о ребрах (она будет храниться для обеих вершин ребра).

Рис. 2.25. Структура хранения графа в виде списка вершин Представления структур данных для решения задач моделирования… Отмеченный недостаток устраняется путем введения второго вспомогательного списка (списка ребер). При этом размер занимаемой списком памяти уменьшится без вреда быстродействию. Таким образом, вершина теперь будет хранить список записей, состоящий из двух ссылок (на соседнюю вершину и на данные о ребре, лежащем между ними).

Такой способ называется вершинной структурой со вспомогательным списком ребер.

Реберная структура При этом способе хранения за основу принимается ребро. Каждый элемент списка хранит данные и ссылки на инцидентные ребра (рис. 2.26).

Рис. 2.26. Структура хранения графа в виде списка ребер В базовом варианте представления информация о вершинах может отсутствовать совсем. Если же она необходима, то ее можно хранить в списке вместе с указателями на ребра. Такое хранение вершин приводит к еще большему дублированию данных, чем в базовой вершинной структуре, так как одна вершина связана обычно с несколькими ребрами. Чтобы избежать этого, можно, как и в предыдущем случае, завести вспомогательный список вершин, а в элементах списка ребер хранить указатели на эти вершины (см. рис. 2.26) [19].

При этом получаем относительную независимость ребер от вершин, т. е. вершины используются в качестве дополнительных данных и от них можно избавиться, не разрывая связь элементов списка ребер. В этом и заключается основное достоинство способа. Недостаток же состоит в том, что такой список относительно трудно заполнять (если добавляется ребро, то нужно сразу добавить и остальные ребра, чтобы сослаться на них). К тому же возникают некоторые трудности с выделением ребер, инцидентных конкретной вершине. Также необходимо признать, что чисто реберная структура (чем бы она ни дополнялась) больше предназначена для хранения неориентированных графов и применима в специфических задачах.

Комбинированная структура содержит одновременно два равноценных списка — список вершин и список ребер (рис. 2.27). Причем оба списка являются «активными», т. е. содержат ссылки на элементы другого.

Рис. 2.27. Структура хранения графа в виде комбинированного списка Каждая вершина помимо общей информации содержит список ссылок на инцидентные ей ребра, а ребро содержит ссылки на две вершины, которым оно инцидентно (см. рис. 2.27) [19]. Такое хранение данных является наиболее универсальным вариантом, так как позволяет работать как с ребрами, так и с вершинами. Добавление элементов в список и получение доступа к одним элементам из других происходит без особых проблем. При таком способе хранения каждый элемент содержит лишь относящиеся к нему данные, что наиболее близко соответствует принципу объектно-ориентированного подхода и является наиПредставления структур данных для решения задач моделирования… более правильным вариантом (по мнению автора), при этом структура не занимает больше места в памяти, чем при хранении предыдущими способами. Единственный недостаток — это жесткая взаимосвязь элементов списков вершин и ребер, но именно такая организация и дает вышеперечисленные преимущества. На рис. 2.28 представлен пример хранения графа (рис. 2.28, а) в памяти с помощью реберного списка (рис. 2.28, б) и комбинированного списка (рис. 2.28, в).

Рис. 2.28. Сравнение структур хранения графа: а — пример графа;

б — реберный список; в — комбинированный список Анализ трех способов представления графа позволяет сделать вывод о том, что вершинная и реберная структуры применимы лишь для узкоспециализированных задач (например, при необходимости хранения информации только о вершинах или только о ребрах), а комбинированная структура является универсальным способом и рекомендуется к применению всегда при использовании информации и о вершинах, и о ребрах [19].

Так как количество ссылок и занимаемой памяти одинаково во всех трех способах, то следует выбирать структуру по другим критериям, таким как удобство построения графа, удобство работы со структурой данных и специфика задачи. В рассматриваемом классе задач при работе с ребрами графа лучше всего подходят второй и третий способы. По общей идеологии задачи можно было бы отбросить вершины как таковые и работать только с ребрами, но необходимо все же знать координаты вершин на карте, поэтому здесь нагляднее было бы использовать реберную структуру с дополнительным списком вершин. С другой стороны, в разнообразных алгоритмах на графах (поиск кратчайшего пути и др.) требуется работать как с вершинами, так и с рёбрами (почти в равной степени), поэтому все-таки лучше использовать комбинированную структуру. В пользу этого свидетельствует также простота построения списков и гибкие возможности доступа к их элементам. Практически не возникает никаких затруднений в получении информации об инцидентных ребрах и смежных вершинах для какой-либо вершины и аналогичных данных об окружении ребра.

Обобщая вышеприведенные рассуждения, можно заключить, что комбинированная структура является эффективным представлением данных для моделирования процессов транспортировки целевого продукта в инженерных сетях (сетях водоснабжения и водоотведения, сетях теплоснабжения, газопроводах и нефтепроводах), а также для различных режимов расчета электрических сетей.

Упрощение графовой структуры Представляется целесообразным производить предварительное упрощение графа с целью уменьшения его размерности (и, как следствие, уменьшения размерности задачи потокораспределения). Первый вид упрощения состоит в свертке цепочки ребер, при которой цепочки однотипных ребер заменяются на одно ребро (рис. 2.29) [4].

Рис. 2.29. Упрощение структуры графа (свертка цепочки ребер) Кроме свертки цепочки ребер для уменьшения размерности графа предлагается разбивать задачу по построению моделей инженерных сетей на ряд задач построения моделей инженерных сетей меньшей размерности (рис. 2.30) [4].

Представления структур данных для решения задач моделирования… при эквивалентировании односвязных компонентов графа сети:

а — выделение деревьев; б — эквивалентирование;

Для построения модели сети меньшей размерности в графе выделяются подграфы, представляющие собой деревья, или односвязные компоненты, не содержащие источников (см. рис. 2.30, а). Каждое такое дерево имеет корневую вершину, через которую осуществляется связь с остальным графом. Дерево удаляется из исходного графа, а его корневой вершине ставится в соответствие суммарная потребность потребителей удаленного дерева (эквивалентная нагрузка) (см. рис. 2.30, б). После удаления всех односвязных компонентов из графа решаются задачи моделирования инженерной сети. Далее задачи моделирования решаются отдельно для всех деревьев, исходными значениями для которых будут значения, полученные на предыдущем этапе обобщенного моделирования (см. рис. 2.30, в) [4].

Данные подходы можно применять как в алгоритмах, непосредственно базирующихся на графах, так и в алгоритмах, использующих граф как промежуточное представление. Для выделения односвязных компонентов можно воспользоваться простым алгоритмом, основанным на нумерации вершин графа методом поиска в ширину.

Как правило, такое упрощение графа инженерной сети дает снижение размерности задачи в несколько раз для разветвленных сетей. Однако в настоящее время большое количество сетей делается закольцованными с целью увеличения надежности. В таком случае даже после проведения эквивалентирования деревьев граф сети остается достаточно сложным.

ТЕХНОЛОГИИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

ИНЖЕНЕРНЫХ ГИС

3.1. История использования ГИС Эффективное ведение процесса управления инженерными сетями обеспечивается при использовании современных информационных технологий, предоставляющих различные варианты доступа к информации об инженерной инфраструктуре предприятия:

1) использовании локальной ГИС;

2) использовании многопользовательской ГИС;

3) использовании многопользовательской ГИС и распределенного веб-доступа.

Использование локальной ГИС. На предприятиях, занимающихся эксплуатацией инженерных сетей, все еще можно встретить самую архаичную схему доступа, при которой пользователи получают фрагменты плана местности с инженерными сетями только на бумажном носителе (рис. 3.1) [20].

Рис. 3.1. Классическая схема доступа к данным по инженерным сетям Глава 3. Технологии функционирования инженерных ГИС На предприятии, только вступившем в процесс автоматизации производства, ведение электронного представления планов инженерных сетей может осуществляться с использованием локальных инструментальных ГИС, которые позволяют хранить пространственные данные либо в виде обычных файлов, либо в локальных СУБД (рис. 3.2) [20].

Рис. 3.2. Разработка и получение данных электронного представления инженерных сетей при использовании локальной ГИС Этот подход имеет ряд существенных недостатков:

- неполнота атрибутивных описаний объектов инженерных сетей. Большинство инструментальных ГИС не предназначены для поддержки полного атрибутивного описания пространственных объектов инженерных сетей. Как правило, объект может содержать несколько простых свойств. Однако в действительности объекты инженерной инфраструктуры имеют более обширные атрибутивные описания;

- сложность синхронизации версий планов по инженерным сетям. Из-за отсутствия единого хранилища, а также пространственных и атрибутивных данных возникает проблема синхронизации изменений в планах по инженерным сетям. На каждом рабочем месте находится копия набора данных. После редактирования необходимо копировать измененные данные на все рабочие места, а также согласовывать изменения, производимые каждым пользователем.

Необходимость решения данных проблем ведет к поиску иных методов решения задачи ведения электронных планов по инженерным сетям. Наиболее приемлемым становится применение технологии «клиент-сервер».

Использование многопользовательской ГИС. Вместо локальной системы, функционирующей на одном рабочем месте, используется централизованная многопользовательская система, в которой множество пользователей могут одновременно работать в едином информационном пространстве вычислительной сети (рис 3.3) [20].

Рис. 3.3. Разработка и получение данных электронного представления инженерных сетей при использовании многопользовательской ГИС Многопользовательские ГИС позволяют работать с данными нескольких серверов одновременно, причем в одной карте можно объединять данные из разных источников и различных серверов, локальных пространственных баз, а также из файлов на локальном диске. Данный метод повышает эффективность процесса ведения электронных планов, однако остаются нерешенными следующие проблемы:

- отсутствие оперативности. Пользователи не имеют оперативного доступа к данным по инженерным сетям. Это затрудняет координацию работ инженерных подразделений предприятия;

- отсутствие ограничения доступа к данным. Пространственные и атрибутивные данные доступны всем пользователям для чтения и редактирования. Необходимы временные затраты на предоставление ограниченного варианта электронного плана инженерных сетей;

- отсутствие у пользователей необходимых навыков работы с ГИС. Для выполнения простых операций анализа пространственных данных (измерения расстояния, площади, периметра) необходимо иметь опыт работы с ГИС, уметь пользоваться стандартным инструментарием.

Глава 3. Технологии функционирования инженерных ГИС Использование многопользовательской ГИС и распределенного веб-доступа. Применение технологии публикации пространственных данных обеспечивает централизованное хранение, анализ и предоставление пространственных данных в корпоративной сети и в сети Интернет для удаленных пользователей (рис. 3.4) [20].

Рис. 3.4. Разработка и получение данных электронного представления инженерных сетей при использовании интернет-ГИС При данном подходе инженерные службы и подразделения могут пользоваться электронными планами инженерных сетей из любой точки предприятия, где имеется доступ к корпоративной вычислительной сети.

Информационные технологии построения веб-ориентированной ГИС Поставщики геоданных взаимодействуют с единым хранилищем пространственных и атрибутивных данных (БД). За публикацию пространственных данных отвечает веб-ГИС-сервер, который является связующим звеном между пользователями и электронным генеральным планом.

Пользователям, имеющим стандартный браузер (тонкий клиент), не требуется устанавливать какое-либо геоинформационное программное обеспечение на свой компьютер, так как вся работа с электронными планами по инженерным сетям осуществляется в окне браузера. Карта может передаваться как в векторном, так и в растровом виде.

В случае использования веб-ГИС-сервера процесс получения электронных данных значительно упрощается.

3.2. Информационные технологии построения веб-ориентированной ГИС Идея публикации геоинформационных данных в сети Интернет возникла в 90-х годах ХХ в. Фактически датой рождения веб-картографии можно считать 1993-й год, когда впервые был запущен веб-сервис Xerox PARC Map Viewer [21]. Но реально такая возможность появилась сравнительно недавно. Переломным стал 2005-й год, когда компания Google практически одновременно запустила два глобальных картографических сервиса — Google-Maps и Google-Earth [21]. Это стало возможным благодаря появлению новых высокопропускных каналов связи и развитию микроэлектронной базы ЭВМ.

Первоначально функции веб-ГИС сводились лишь к просмотру фиксированных изображений, представляющих карты в форматах GIF, JPEG [22]. Интерфейс взаимодействия пользователя с веб-сервером был ограничен и сводился к простому выбору требуемого изображения. Преимуществами такого метода публикации данных являются: простота публикации, низкие требования к серверу, канал связи низкой пропускной способности, наличие на клиентском месте только веб-браузера.