Общая характеристика работы
Эффективность использования геоинформационных технологий в различных сферах трудовой деятельности человека определяется прежде всего тем фактом, что 85% информации, с которой сталкивается человек в своей жизни, имеет территориальную привязку. Геоинформационные системы (ГИС) активно внедряются в различных областях управления, промышленности, транспорта, экологии, здравоохранения и т.д.
Актуальность темы. В настоящее время ГИС все чаще начинают применяться для решения задач моделирования процессов и ситуаций, что позволяет говорить о новом классе интеллектуальных геоинформационных систем. Интеллектуальные ГИС осуществляют комплексный анализ и интерпретацию разнотипных данных и, как правило, включают в себя средства поддержки принятия решений. Однако, при разработке и использовании таких систем, особенно предназначенных для работы в распределенной среде, неизбежно возникает ряд проблем, унаследованных от традиционных топологически-ориентированных и объектно-ориентированных подходов к построению ГИС.
«Топологические» ГИС слабо поддерживают, либо вовсе не поддерживают, объектно-ориентированные модели предметной области, а в «объектных» ГИС топологические отношения между объектами обычно представлены в недостаточно полном виде.
Поскольку в ГИС графические объекты связаны с табличными данными, необходимо эффективно обрабатывать графику и семантику одновременно, что затруднено в связи с гигантскими объемами информации. Интеллектуальные ГИС к тому же должны обеспечивать комплексный анализ и интерпретацию разнотипных данных, поддержку принятия решений и моделирование процессов и ситуаций в распределенной среде. Отсюда следует, что для таких ГИС необходимо разрабатывать специализированные объектные модели предметной области с возможностью установления любых необходимых топологических связей между объектами и классами объектов.
В связи с вышеизложенным, тематика исследований, затрагивающая вопросы создания гибридных объектно-топологических моделей ГИС, является крайне актуальной.
Другой круг проблем разработки интеллектуальных ГИС связан с повышенной сложностью самих решаемых задач. Абсолютное большинство проектов по созданию таких систем — крупные, а число ошибок в таких проектах увеличивается экспоненциально в зависимости от их объема.
В настоящее время принято различать ряд направлений повышения качества программного обеспечения. К наиболее известным относят:
· стандартизацию процессов проектирования и разработки программного обеспечения;
· создание и использование моделей оценки уровней зрелости организаций-разработчиков программного обеспечения;
· разработку и сопровождение механизмов повторно используемого кода;
· совершенствование моделей жизненного цикла программного обеспечения.
В рамках последнего направления исследуются методы разработки легко сопровождаемых программных систем, способных быстро адаптироваться к изменениям требований пользователей.
Новая на сегодня компонентно-ориентированная парадигма в области разработки программных систем позволяет разработчикам, не отягощённым грузом старых решений, создавать развитые и конкурентоспособные изделия, используя современный инструментарий. Сегодня разработка геоинформационного интерфейса полнофункциональной ГИС занимает не более 4-6 месяцев для коллектива из 5 человек, поскольку современный инструментарий разработчика самостоятельно решает проблемы, которые раньше приходилось решать самим разработчикам или ждать решения от соответствующих фирм.
Однако данная парадигма требует соответствующего совершенствования методик разработки программного обеспечения, в том числе и с помощью разработки быстро адаптируемых моделей предметной области.
Следовательно, необходимое решение существующей сегодня проблемы повышения качества программного обеспечения ГИС также обуславливает актуальность решаемой в диссертации научной задачи.
Цель работы. Целью диссертационной работы является снижение затрат на моделирование, создание и сопровождение интеллектуальных ГИС за счет совершенствования методологии их разработки.
Задачи исследования. Главной научной задачей исследования является разработка интеллектуальных ГИС на основе настраиваемой объектной модели предметной области. В диссертационной работе для решения главной научной задачи также решается ряд частных задач, а именно:
· выявление требований, которые предъявляются к интеллектуальным ГИС как к специализированным системам, предназначенным для работы в распределенной среде;
· реализация настраиваемой объектной модели предметной области ГИС на базе концепции метаданных;
· создание программного средства разработки объектных моделей ГИС;
· создание методики разработки ГИС на основе настраиваемой объектной модели;
· экспериментальное подтверждение применимости предложенной методики.
Методы исследования основаны на использовании системного и объектно-ориентированного анализа, объектно-ориентированного проектирования, теории метаданных и теории моделей. В разработке программного обеспечения использовалась технология объектно-ориентированного программирования.
На защиту выносятся следующие результаты:
1. Методика разработки интеллектуальных ГИС на основе настраиваемой объектной модели предметной области, позволяющая снизить трудоемкость разработки сложных программных систем с большим количеством классов объектов.
2. Настраиваемая объектная модель предметной области ГИС на основе концепции метаданных, поддерживающая иерархическую структуру классов объектов ГИС и набор отношений между объектами и классами объектов.
3. Программное средство визуальной разработки объектных моделей предметной области ГИС.
Научная новизна. Предложена новая методика разработки геоинформационных систем. Новизна подхода, прежде всего, заключается в использовании настраиваемой объектной модели. В отличие от существующих методик, такой подход обеспечивает:
· описание свойств классов объектов предметной области ГИС на языке описания метаданных, а не на языке программирования;
· единое представление информационных объектов, создаваемых на основе описаний метаклассов, для всех подсистем ГИС, что значительно упрощает их программную архитектуру;
· упрощение структуры баз данных информационной подсистемы ГИС за счет хранения метаданных в самих объектах;
· упрощение процесса сопровождения ГИС, поскольку снижается вероятность необходимости изменения программного кода и структур баз данных при внесении изменений в иерархию классов предметной области.
Практическая ценность. Теоретические исследования завершены созданием на их основе математического и программного обеспечения компонентов геоинформационной системы, предназначенной для решения задач поиска подвижных объектов, в том числе:
· создана настраиваемая объектная модель предметной области ГИС и программное средство визуальной настройки модели;
· разработан встроенный язык управления ГИС-объектами SOML (Simple Object Manipulation Language – простой язык манипулирования объектами) и создан интерпретатор этого языка;
· разработан протокол обмена компонентами распределенной ГИС на основе протокола TCP/IP;
· создана подсистема долговременного хранения программных компонентов на базе структурированного хранилища COM (Component Object Model) с поддержкой транзакций, блокировок и методов оптимизации доступа;
· создана и активно применяется в интеллектуальной ГИС подсистема моделирования прикладных задач поиска, использующая разработанную объектную модель предметной области.
Апробации работы. Приведенные в диссертации результаты были представлены автором на VIII Санкт-Петербургской международной конференции "Региональная информатика 2002" (Санкт-Петербург, 25-28 ноября 2002) и международном семинаре IF&GIS «Интеграция информации и геоинформационные системы» (Санкт-Петербург, 17-20 сентября 2003). Результаты работы были использованы в НИР «Разработка объектно-ориентированных картографических основ как платформы моделирования…» (СПИИРАН, шифр «Алеврит»), НИР «Моделирование задач оптимального распределения систем и средств освещения обстановки…» (СПИИРАН, шифр «Рациональность С»), НИР «Теоретическое обоснование и разработка цифровых картографических основ…» (СПИИРАН, шифр «Электроника-РАН»).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, отражающих основные результаты выполненных исследований.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 126 наименований. Общий объем работы составляет 168 страниц, в том числе 24 рисунка и 4 таблицы.
