Пространственно сетевая модель данных

Сетевая модель в ГИС и инженерные сети

Задачи, решаемые ГИС с применением сетевой модели, можно обобщить в следующие категории:

• Получение математической модели графа из географических данных для дальнейшего анализа с использованием теории графов;
• Расчёт кратчайших путей между вершинами сети; поиск ближайшей вершины из группы заданных; Определение области доступности для некоторой вершины – нахождение всех вершин в заданном радиусе;
• Нахождение циклов в графе сети;
• Нахождение изолированных вершин сети — проверка связности, основанная на поиске пути между двумя узлами графа. Если такой путь найден, то узлы являются членами одной подсети, иначе – узел изолирован;
• Поиск элементов в определённом направлении – граф может быть ориентированным;
• Анализ сети при изменении одного из её элементов, добавлении новых элементов.

Сферы использования ГИС с сетевой моделью

Инженерные сети

ГИС в сфере инженерных сетей выполняют функции проектирования, инвентаризации, моделирования, а также информационной поддержки экспертных оценок и принятия решений. Они также используется для эксплуатации инженерных сетей, являются информационно-справочными системами. Основные особенности ГИС такого класса:

• Наличие модели сети с имитацией состояния элементов и участков сети;
• Наличие геометрического представления сети на плане или карте с размерными привязками, пригодное для чертежного представления и задач согласования;
• Наличие атрибутивного описания технических параметров элементов сети;
• Описание движения (жизненного цикла) сети и ее элементов;
• Наличие средств документооборота.

Бизнес аналитика

Использование ГИС с сетевой моделью в бизнесе позволяет существенно повысить его эффективность, поскольку позволяет ответить, например, на следующие вопросы:

• Как узнать, в какой области доступности будет находиться предприятие для определённых районов города, и за какое время клиенты из этих районов смогут добраться до него;
• Как минимизировать время/стоимость доставки тех или иных грузов;
• Какое отделение предприятия лучше посетить клиенту, чтобы минимизировать время его поездки;
• Как спрогнозировать развитие бизнеса, улучшить покупательную способность предприятия;

Другие сферы

Расположение ближайших пожарных частей, полицейских участков, больниц. Вычисление наилучшего пути следования службы, в зависимости от дорожной ситуации, точек остановки, и т.д.

ГИС для инженерных сетей

Что позволяет ГИС в сфере эксплуатации инженерных сетей

Помимо преимуществ, присущих всем автоматизированным системам, таких как электронное представление данных предприятия, централизованное хранение информации, работа со многими пользователями, составление отчётов, ГИС в инженерных сетях даёт:

• Представление инженерной сети в виде модели, что позволяет анализировать её методами теории графов. А когда известна топология сети и произведены все топологические расчёты, становится возможным производить уже технологические расчёты, такие, как расчёт давления в трубопроводе или тока короткого замыкания, что является, по сути, основной возможностью ГИС в инженерных сетях и отличает их от ГИС других назначений. По сути ГИС здесь – скорее одна из важных составных частей масштабной системы эксплуатации на предприятии.
• Привязка к реальной географии – отображение точной топологии сети на плане города/местности. В то же время, хоть и полезно, но не всегда обязательно и целесообразно соблюдать точность в задании геодезических координат, поскольку для некоторых случаев она не важна, а детальная прорисовка сети может сильно замедлить этап расчётов. Например, повороты и изгибы проводников в электрической сети не влияют на силу протекающего в них тока. В тепловой сети, напротив, наличие изгибов задаёт гидравлическое сопротивление сети, но его можно учесть простым заданием параметра.
• Модель реальной сети можно обобщить. Например, можно представить несколько параллельно идущих проводов (трёхфазной электрической сети) одной линией с заданными определённым образом атрибутами. На результатах расчёта это никак не скажется, но зато позволит существенно повысить скорость ввода данных. Можно так же обобщать некоторые участки сети и производить расчёты для них как для единого целого.
• Работа в таких ГИС может существенно облегчить задачу ввода параметров инженерной сети, за счёт того, что выбор требуемых объектов происходит графически, а не только из таблиц БД. Очень удобно выделять нужные участки сети и для всех сразу задавать одинаковые значения параметров (если это требуется), особенно если таких участков большое количество.
• Графическое указание ошибок, полученных в результате расчётов или при вводе атрибутивной информации, облегчает нахождение «проблемного места» в сети. Например, можно просто подсветить определённым цветом такой участок. Так же, совместное графическое отображение исходных данных и результатов расчётов повышает наглядность модели.

Что позволяет ГИС в сфере проектирования инженерных сетей

• Как правило, имеется библиотека элементов, из которой можно выбирать и перетаскивать на рабочую область те или иные элементы, с уже заранее заданными атрибутами.

Обзор существующих решений

По большому счёту во всех ГИС так или иначе присутствует функциональность, связанная с сетевым анализом. Рассмотрим основные решения и, в частности, применительно к инженерным сетям:

ArcGIS Network Analyst – расширение, позволяющее проводить, основанный на сетях, пространственный анализ. Сети можно строить из данных ГИС, используя специальную модель данных. Сетевой анализ в Network Analyst включает в себя следующие основные понятия:

• Route tool – прокладывает наилучший маршрут между двумя заданными пунктами или несколькими. Пункты можно задавать, помещая их на экране, вводя адрес или используя существующий векторный слой. Порядок обхода нескольких точек можно задавать вручную, или утилита сама определит наилучший. В качестве весового критерия можно использовать время или расстояние. После построения маршрута он детально описывается по шагам, и его можно распечатать.
• Service Area Tool – определяет область доступности за заданный промежуток времени/заданное расстояние, где область доступности – это все объекты, лежащие в пределах заданного критерия.
• Closest Facility – определяет ближайший к заданной точке объект из группы выбранных или группу ближайших объектов.
• OD (origin-destination) cost matrix – таблица, содержащая стоимостные коэффициенты между всеми возможными точками отправления и назначения. Также ранжирует точки назначения с которыми связаны точки отправления в порядке возрастания значения коэффициента, требующегося для прибытия в каждую точку назначения из этой точки отправления. Используется, например, для нахождения наилучших путей для каждой точки из набора заданных, связанной с четырьмя ближайшими точками.
• Location-allocation – помогает выбрать, какие объекты из заданного набора объектов лучше взаимодействуют с требуемыми точками или покрывают требуемую область (например, если требуется сократить число магазинов в районе, то можно узнать какого минимального количества из них достаточно, чтобы покрыть весь район без снижения покупательной способности).

ArcGIS Schematics – решение для схематического отображения геоданных ArcGIS. Оно включает улучшенные средства визуализации и управления физическими и логическими сетями: электрические сети, светофоры, циклы доставки, компьютерные сети. Отличительная особенность ArcGIS Schematics заключается в параллельной работе с тремя графическими отображениями одной сети: географический, схематичный и географическо-схематичный. Это даёт более наглядное представление о том, как организована сеть.

Продукты Bentley для инженерных сетей предназначены для ведения всего жизненного цикла имущества — от планирования, проектирования, строительства и управления до вывода из эксплуатации и демонтажа. Это решение ГИС для инфраструктуры электро- и газоснабжения на основе продуктов Bentley Electric, Bentley Gas и Bentley Geospatial Server с возможностью проектирования и оценки сетей распределения при помощи Bentley Expert Designer. Из особенностей можно выделить:

• Bentley Electric: модель данных содержит более чем 70 компонентов с заданными атрибутами, отношениями и поведением. Она может быть изменена/заменена в зависимости от нужд компании.
• Так же имеется возможность написания собственных расширений используя платформу и специальный API.
• Поддержка других форматов в интерфейсе Bentley Map: ESRI SHP files, MapInfo TAB files, Oracle Spatial, SQL Server Spatial, ODBC, WFS, WMS, Google KML/KMZ, 3D PDF, i-models и др.
• Поддержка пространственных 2D и 3D данных Oracle и SQL Server.

Intergraph’s G/Technology – специализированный продукт для создания инженерных ГИС. Платформа состоит из таких программных компонентов, как G/Technology Administrator, G/Technology Designer, и др. Программные приложения G/Technology базируются на РСУБД Oracle и предназначены для решения комплексных задач предприятий, управляющих и эксплуатирующих объекты инженерных сетей – энергоснабжения, газоснабжения, водоснабжения, телекоммуникаций.

Среди плагинов QuantumGIS можно выделить Road Graph. Модуль позволяет находить наилучший маршрут в графе дорог, а также рассчитывать его длину и время в пути. Граф строится на основе любого линейного векторного слоя QGIS. Можно выбирать: начальную точку, конечную точку и критерий оптимизации – время или расстояние. Есть возможность сохранять рассчитанный путь в отдельный слой.

ГИС GRASS реализует следующие алгоритмы сетевого анализа:

• Подготовка модели сети для расчётов (v.net). При помощи различных операторов можно создать модель несколькими способами;
• Расчёт наилучшего пути (d.path и v.net.path). Критерием может выступать как длина дуги графа, так и заданный атрибут, причём рассматриваются атрибуты как дуг, так и вершин. Задав вес = -1 можно «закрыть» вершину;
• Расчёт наилучшего пути между всеми парами узлов (v.net.allpairs);
• Распределение на подсети (v.net.alloc). Для заданных вершин формируются области доступности;
• Отображение зон доступности по критерию (v.net.iso). Отнесение всех объектов к областям, лежащим между заданными границами (изолиниями) по направлению от центра;
• Определение связности элементов графа, вычисление шарниров (v.net.bridge). Нахождение изолированных областей;

Проект pgRouting расширяет возможности PostGIS / PostgreSQL возможностью сетевого анализа. При помощи SQL-запросов и специальных функций можно работать с данными таблиц, проводя маршрутизацию, расчёт кратчайших путей и т.д. Изменения данных отображаются «на лету» и не требуется пересчётов. Веса динамически вычисляются через SQL и могут быть взяты из нескольких таблиц БД. Функции pgRouting реализуют алгоритмы Дейкстры, Флойда — Уоршелла, Джонсона, алгоритм поиска А* и другие.

В свободных ГИС, так же как и в проприетарных существует не мало возможностей по анализу сетей, но все они ограничиваются лишь общим подходом к проблеме, не применительно к какой-либо предметной области. Для сферы инженерных сетей, помимо того, что отсутствует специальная модель данных, включающая характерные для предметной области объекты (источник, потребитель, отсекающее устройство), отсутствуют также надстройки, позволяющие проводить технологические расчёты. Как правило, предприятиям, производящим автоматизацию производства, требуется помимо, собственно, карт своих сетей, ещё и расчётные программные комплексы, чего не хватает в свободных ГИС. В коммерческих ГИС существуют уже готовые решения для предприятий, причём для конкретных сфер (электроснабжение, теплоснабжение) или платформы для написания собственных решений, что, конечно же, говорит о большей перспективности их внедрения. Однако, недостатком таких ГИС является их не малая стоимость.

Источник