Харківський національний університет радіоелектроніки

Ляховець Сергій Віталійович

УДК 004.9:004.64

МОДЕЛІ ОБ’ЄКТНО-РЕЛЯЦІЙНОГО СПОЛУЧЕННЯ ГЕОІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ З БАЗАМИ ДАНИХ

05.13.06 - автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент Четвериков Григорій Григорович, Харківський національний університет радіоелектроніки, доцент кафедри програмного забезпечення ЕОМ.

Офіційні опоненти: 

доктор технічних наук, професор Самойленко Микола Іванович, Харківська національна академія міського господарства, завідувач кафедри систем автоматизованого проектування; 

кандидат технічних наук, доцент Петров Костянтин Едуардович, доцент кафедри прикладної математики Національного університету внутрішніх справ Міністерства внутрішніх справ України.

Провідна установа:

Національний технічний університет України “КПІ”, кафедра прикладної математики, Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 19 ” січня 2005 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.01 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14, тел. (057) 702-14-51.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “ 17 ” грудня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Чалий С.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Керування магістральними трубопроводами – це важлива проблема, актуальність якої визначається постійним зростанням складності проектів і гігантською кількістю інформації, що збирається на всіх стадіях газотранспортного проекту. Інформація, що використовується для керування, має яскраво виражений просторовий контекст, що визначає практичну потребу застосування для керування магістральними трубопроводами сучасних геоінформаційних технологій.

Актуальність досліджень у даній галузі полягає у наступному: 

необхідність організувати на єдиних принципах і синхронізувати наявні й очікувані в майбутньому потоки інформації по газопроводу; 

потреба уніфікувати технології сполучення геоінформаційної системи (ГІС) з базою даних і за рахунок цього скоротити витрати на розробку; 

необхідність забезпечення користувачів якісною просторовою інформацією щодо стану газотранспортної системи; 

постійне збільшення обсягу інформації стосовно газотранспортних проектів, вимагає розвитку технологій керування цими даними; 

сучасні технології сполучення ГІС і реляційних баз даних (РБД) не повною мірою вирішують питання стикування об'єктної і реляційної моделі.

Інформація, що надходить від різних видів устаткування, локальна і подана в специфічній формі і різних форматах. За такими фрагментарними даними важко відтворити ситуацію на трубопроводі в цілому. Разом з тим для прийняття рішень і керування роботами на трубопроводі потрібна цілісна картина його поточного стану і навколишніх об’єктів. Для цього поточні й історичні дані потрібно інтегрувати в єдине інформаційне середовище, в якому в чіткий, наочній і придатній для управління формі відображається фактичний стан трубопроводу і прилеглих ділянок місцевості.

Моделі даних по трубопроводу забезпечують єдине розуміння й ефективне використання всієї змістовної інформації, що має просторовий контекст. Насамперед це стосується інтерпретації фізичного змісту одержаних даних, опису їхньої логічної структури, стандартизації форматів обміну даними між учасниками робіт.

Сучасна ГIС будується на об’єктно-орієнтованих принципах, а об’єктні дані вона зберігає в РБД. Постає питання використання об’єктно-реляційного адаптера для конвертації реляційних і об’єктних даних. Така модель сполучення необхідна для одержування доступу із ГІС до усієї необхідної просторової та атрибутивної інформації, яка зберігається у РБД. Для ефективного використовування цієї моделі потрібна адаптація до конкретної реляційної моделі даних. Ця адаптація дозволить оперувати геоданими по трубопроводу, використовуючи зрозумілий підхід до предметної галузі.

Дисертаційна робота присвячена розробці методу та моделей створення і підтримки в актуальному стані інформаційного середовища по магістральному газопроводу, що містять у собі геоінформаційну модель даних по газопроводу (ГМДГ), методи об’єктно-реляційного сполучення на базі об’єктно-реляційної алгебри, а також модель спеціалізованого об’єктно-реляційного адаптера для зв'язку геоінформаційної системи і РБД у форматі ГМДГ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота виконана на кафедрі програмного забезпечення ЕОМ у Харківському національному університеті радіоелектроніки в рамках держбюджетних та госпдоговірних науково-дослідних робіт: “Розробка моделі об’єктно-реляційного адаптера для програми “TraxFinder” (№ ДР 0103U003651, відповідальний виконавець), “Розробка математичного, алгоритмічного та програмного забезпечення для проектування інтелектуальних систем обробки аудіо, відеосигналів, природної мови та аналітичної інформації” у рамках підрозділу “Розробка теоретичних основ, моделей та алгоритмів вилучення знань з текстових баз даних та побудова високоефективних багатозначних структур природно-мовних систем щодо реалізації інтелектуального інтерфейсу” (№ ДР 0100U005436, виконавець), “Моделі механізмів інтелекту людини та їх застосування в інформаційних системах зі штучним інтелектом” у рамках підрозділу “Ідентифікація мовника на обмеженому образі мовного матеріалу” (№ ДР 0103U001545, виконавець).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка моделі спеціалізованого об’єктно-реляційного адаптера для доступу до реляційної бази даних від об’єктно-орієнтованої геоінформаційної системи і розробка моделі даних для збереження інформації по газопроводу в реляційній базі даних.

Основні задачі дослідження: 

дослідження і розробка методу об’єктно-реляційного сполучення на базі об’єктно-реляційної алгебри; 

удосконалення геоінформаційної моделі даних по газопроводу; 

розробка моделі об’єктно-реляційного адаптера для розробленої моделі даних; 

розробка і створення програмної системи відображення і редагування просторових даних з використанням елементів об’єктно-реляційного адаптера.

Об'єкт дослідження – процедури сполучення об’єктно-орієнтованих геоінформаційних систем.

Предмет дослідження – метод і моделі об’єктно-реляційного сполучення геоінформаційних систем і реляційних баз даних.

Методи дослідження. При розробці моделі спеціалізованого об’єктно-реляційного адаптера використовувалися методи об’єктно-орієнтованого аналізу і моделювання. При розробці геоінформаційної моделі даних по газопроводу використовувалися методи проектування баз даних.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна дисертації полягає в постановці та вирішенні задачі сполучення об’єктно-орієнтованої геоінформаційної системи з реляційною базою даних за допомогою об’єктно-реляційного адаптера. Вирішення даної задачі полягає у застосуванні методу сполучення об’єктно-реляційного адаптера, що бере на себе функції перетворення реляційних даних і об’єктів у контексті геоінформаційних систем. Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

1. Вперше розроблено метод об’єктно-реляційного сполучення на базі об’єктно-реляційної алгебри. Об’єктно-реляційна алгебра доповнена спеціальними просторовими операціями, встановлені їх властивості, вивчена система суперпозицій, що в сукупності представляє уніфікований дослідницький апарат аналізу даних у геоінформаційних системах. Розроблено метод, що дозволяє вирішити проблему невідповідності об’єктної і реляційної моделі у геоінформаційній системі, спрощує її створення та підвищує швидкість розробки.

2. Вдосконалено геоінформаційну модель даних по газопроводу. Додано різні механізми зберігання даних по магістральному газопроводу, які дозволяють зберігати дані більш ефективно. ГМДГ зберігає дані по газотранспортному проекту в єдиній базі даних, що дозволяє знизити витрати на збирання й обробку даних. ГМДГ надає всі необхідні для газової промисловості засоби: пікетажна та координатна прив’язка елементів газопроводу, збереження топологічних даних та ієрархії трубопроводів. Геоінформаційна модель дозволяє довільне групування елементів газопроводу та просторову прив’язку документів.

3. Вперше розроблено модель спеціалізованого об’єктно-реляційного адаптера для геоінформаційної моделі даних по газопроводу, яка дозволяє максимально використовувати можливості ГМДГ. Спеціалізований об’єктно-реляційний адаптер дозволяє скоротити час на розробку геоінформаційних систем, уніфікувати технології сполучення, у ряді випадків підвищити швидкість звертань.

Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення роботи полягає у побудові ядра нової інформаційної технології об’єктно-реляційного адаптера для сполучення ГІС із РБД, яка базується на методі і моделях об'єктно-реляційного сполучення ГIС і використовується для побудови ГIС, як засобу сполучення об'єктного ядра ГIС і РБД по магістральному газопроводу. Геоінформаційна модель даних по газопроводу реалізовано у вигляді логічної моделі БД, що дозволяє використовувати її для збереження даних у такій БД як Oracle та інших. На основі розроблених моделей та методу створено програмну систему, що здійснює відображення і редагування просторових даних з використанням елементів об’єктно-реляційного адаптера. Програма відображає трубопровідну систему, дозволяє робити просторові запити і забезпечує інші необхідні функції пошуку та локалізації елементів магістрального газопроводу.

Практичне значення результатів роботи підтверджується їхнім впровадженням. Розроблені в дисертаційній роботі методи і моделі у вигляді програми впроваджено в ЗАТ “IнфоПолiПром” (м. Харків, Україна, акт від 18.09.2003 р.). Розроблені методи і моделі використовуються у виробничому процесі при розробці програмних продуктів у ТОВ “Інтарі” (м. Санкт-Петербург, Росія, акт від 2.09.2003 р.). Розроблені у роботі методи і моделі використовуються у виробничому процесі у ВАТ “Турбогаз” (м. Харків, Україна, акт від 26.02.2004 р.). У Харківському національному університеті радіоелектроніки результати дисертаційної роботи впроваджені в науково-дослідні роботи №105-4 і 159-2, які виконуються на кафедрі програмного забезпечення ЕОМ (акт від 29.10.2003 р.), та в навчальний процес (акт від 20.10. 2003 р.).

Особистий внесок здобувача. Усі результати дисертації отримано автором самостійно. У роботі [1] розглянуто технології ГIС в аспекті їхнього застосування для керування проектами по магістральному газопроводу. У [9] розглянуті основні концепції геоінформаційної моделі даних для трубопроводів. У [2, 7] розроблена модель прив'язки просторових об’єктів для ГIС по магістральному газопроводу з урахуванням особливостей пікетажної прив’язки. У [7] наведено приклад візуалізації відрізку трубопровідної системи засобами створеної програмної системи перегляду. У [4] ГМДГ розширена компонентами для прив’язки документів і графічного образу об’єктів. У [3] ГМДГ розширена компонентом збереження топологічних даних, компонентом ієрархії трубопроводів і компонентом, що дозволяє реалізувати довільне групування елементів газопроводу. У [5] розроблено апарат об’єктно-реляційної алгебри та механізм перетворення реляційних даних в об’єкти. У [8] розроблено метод сполучення об’єктно-орієнтованої ГІС з РБД. У [6] розглянута практична реалізація перегляду трубопроводу у тривимірному вигляді.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на: 5-му Міжнародному молодіжному форумі “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке” (м. Харків, 2001 р.); 7-й Міжнародній конференції “Теория и техника передачи, приема и обработки информации” (м. Харків, 2001 р.); 8-й Міжнародній конференції “Теория и техника передачи, приема и обработки информации” ИИСТ-2002 (м. Харків, 2002 р.); міжнародній науковій конференції “Теория и техника передачи, приема и обработки информации” (м. Харків, 2003 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 9 наукових працях, з них 5 статей у наукових виданнях згідно з “Переліком № 1 наукових фахових видань України…”(Бюлетень ВАК України 1999, № 4) та “Переліком № 12 постанови Президiї ВАК № 1 – 05.36 вiд 11.06.03.”.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації складає 144 сторінки і містить 3 додатки на 10-ти сторінках, 51 рисунок, 2 таблиці, список використаних літературних джерел, що містить 90 найменувань на 7-ми сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовані основна мета і завдання досліджень, наведено відомості про зв’язки обраного напрямку досліджень із планами організації, де виконана робота. Дано стислу анотацію отриманих у дисертації рішень, відзначено їх практичне значення, наведено дані щодо використання результатів проведених досліджень у народному господарстві.

У процесі дослідження в першому розділі роботи проаналізовано стан питання і сформульовано задачі дослідження. У роботі розглядається інформаційне забезпечення геоінформаційної системи, а більш конкретно інтерфейс між реляційною базою даних і об’єктно-орієнтованою системою пошуку і видачі інформації. Проведено аналіз загальних концепцій ГIС, застосування ГIС для супроводу проектів по магістральних газопроводах. Аналізується найсучасніша модель даних ГIС, модель даних БГД. Виявлено, що сучасні ГIС будуються за об’єктно-орієнтованим принципом, а свої дані вони зберігають в реляційній БД. Проаналізовано програмний продукт ArcSDE, як технологія сполучення ГIС і РБД. Виявлено, що застосований метод сполучення недосконалий, необхідно його удосконалення. Вивчено розвиток баз даних, основні типи баз даних. Детально розглянуто об’єктно-реляційний підхід. Проаналізовано приклади систем розширення реляційної СУБД. Виявлено, що для сполучення ГIС з РБД потрібно використовувати об’єктно-реляційний підхід. Розглядається об’єктне подання реляційних даних різними методами. Далі на основі виконаного аналізу сформульовано задачі наукового дослідження. Наприкінці першого розділу підведено підсумок проведеному дослідженню, визначено напрямки дослідження.

У другому розділі проведена розробка наукових основ сполучення об’єктної ГIС і реляційної БД. Зроблено вибір методу сполучення на основі методу об’єктно-реляційного адаптера розроблено новий метод сполучення, що сполучає об’єктно-орієнтовану ГІС і РБД.

Проаналізовано загальну схему функціонування геоінформаційного комплексу, розглянуто склад найважливіших первинних збираних даних. Виділені типові функціональні задачі, які вже розв’язуються в зарубіжній практиці прикладними програмами. Розглянуто питання інтеграції об’єктної і реляційної технології. Розглянуто протиріччя між об’єктно-орієнтованою технологією, на якій заснована ГІС, і між найбільш значними на даний момент реляційними сховищами даних. Існують різні об’єктно-реляційні методи сполучення, але для задачі сполучення ГІС із РБД підходить тільки метод об’єктно-реляційного адаптера. Його потрібно вдосконалювати далі. Об’єктне представлення, що використовується зараз, недосконале. Результатом є вибірка, а не об’єкт. Необхідно розробити адаптер, що представляє табличну форму в об’єктному вигляді, спираючись на деяку просту алгебру, яку потрібно розробити. Роботу з SQL-запитами необхідно повністю винести в адаптер. У загальному випадку ГІС повинна працювати тільки з об’єктами, а не із запитами. Далі розширюються можливості об’єктно-реляційної алгебри (ОРА). ОРА являє собою набір операторів, що використовує колекції класів як аргументи, і колекції класів, що повертаються, як результат. Введено наступні позначення: [A] колекція класів, CO – клас керування операціями, COG – клас керування географічними маніпуляціями з об’єктами. Таким чином, метод f класу CO записується: [R] = CO.f ([R1], [R2], … ,[Rn])... . ОРА є замкнутою, тому що як аргументи в операції CO можна підставляти інші класи, що підходять за типом: [R] = CO.f(CO.f1 ([R11], [R12], …), CO.f2 ([R21],[R22], …), …).

Рис. . Склад об’єктно-реляційної алгебри

Деякі операції вимагають, щоб класи і відповідно колекції класів мали однакові типи. Оператор перейменування атрибутів має наступний синтаксис: CO.RENAME(R, X, Y,…,NX,NY,…), де R клас, X, Y,… вихідні імена атрибутів, NX, NY,… нові імена атрибутів. Теоретико-множинні операції включають: об’єднання CO.UNION([A], [B]), перетинання CO.INTERSECT([A], [B]), віднімання CO.MINUS([A], [B]), декартовий добуток CO.TIMES([A], [B]). Спеціальні операції включають операції вибірка CO.WHERE([A], ), проекція CO.PROJECTION([A], X,Y,…,Z), з’єднання CO.TIMESWHERE([A], [B], ), розподіл CO.DEVIDBY([A], [B]). Особливі географічні операції: рівність COG.EQUALS(A, B), торкання COG.TOUCHES(A, B), усередині COG.WITHIN(A, B), містить COG.CONTAINS(A, B), схрещування COG.CROSSES(A, B), частковий збіг COG.OVERLAPS(A, B), немає перетинання COG.DISJOINT(A, B), накладення COG.OVERLAY(A, B), перетинання COG.INTERSECT(A, B), різниця COG.DIFFERENCE(A, B), симетрична різниця COG.SYMMETRICALDIFFERENCE(A, B), об’єднання COG.UNION(A, B), функція відсікання COG.CLIPFUNCTION(A, B).

Далі у роботі розроблений новий простий метод сполучення ГІС із РБД. Розроблено простий метод перетворення реляційних відносин і об’єктів. Зв’язок можна показати у вигляді формули:

,

де A – реляційне відношення, A1,A2,…An – атрибути відношення, D1,D2,…Dn – домени відповідних атрибутів відношення, Aґ – клас, що являє собою відображення відношення А в об’єктну модель, Aґ.A1, Aґ.A2,…Aґ...An – властивості класу Aґ, що є перетвореними атрибутами реляційного відношення А, Dґ1,Dґ2,…,Dґn – типи даних, відповідні доменам атрибутів відношення А.

При перетворенні необхідно перетворювати типи даних. Введемо функцію перетворення.

,

де frto – функція перетворення доменів реляційного відношення в типи, використовувані об’єктом, fotr – функція перетворення типів, що використовуються об’єктом, у домени реляційного відношення.

Застосовувані зараз методи роботи адаптера зображені на рис. 2. У всіх підходах об’єктна інформаційна система (ІС) або ГIС працює з SQL-запитами. Зазначимо існуючі недоліки таких підходів:

1. Хоча ГIС будуються за об’єктно-орієнтованим принципом (ООП), дані вони зберігають в РБД. Потрібне перетворення інформації при передачі з РБД в ГIС. У сучасних ГIС це питання розв’язується усередині самої ГIС, що ускладнює розробку ГIС і жорстко прив’язує ГIС до структури БД.

2. Хоча ГIС і SDE засновані на ООП, SDE не надає доступу до будь-якого географічного об’єкта БД як до справжнього об’єкта зі своїми властивостями і методами.

3.бiльш орієнтований на просторовий аналіз, ніж на роботу з якимось конкретним об’єктом.

4. Оскільки SDE орієнтований на виконання типових задач ГIС, в ньому не передбачена наявність особливостей, що зустрічаються при інформаційному забезпеченні проектів по магістральних газопроводах.

5. Не існує єдиної моделі для зберігання даних по магістральних газопроводах. Кожна організація, орієнтуючись на свої задачі, створює свою модель.

6. Якщо розробити єдину модель і створити об’єктно-реляційний механізм перетворення даних з БД в об’єкти, ми отримаємо збільшення швидкості розробки ГIС проектів по магістральних трубопроводах, підвищимо якість ГIС, знизяться вимоги до кваліфікації програміста, що пише ГIС.

а) б) в)

Рис. . Репрезентація сполучення об’єктної ІС з РБД:

а – об’єктна ІС працює з SQL-запитами;

б – метод об’єктно-реляційного адаптера між об’єктною ІС і РБД;

в – метод роботи об’єктної ГIС із РБД.

Для сполучення ГІС і РБД у роботi застосований метод сполучення ІС із БД, що раніше для цього не використовувався. Також створено новий метод сполучення на базі методу об’єктно-реляційного адаптеру. Замість розширення мови SQL запропоновано метод прямого звертання до об’єктів. ГІС може не генерувати запити, а прямо звертатися до властивостей об’єкта. Генерація запитів при звертанні ГІС до об’єкта покладається на адаптер. Розроблений новий метод об’єктно-реляційного адаптера зображено на рис. 3.

Новизна розробленого методу об’єктно-реляційного адаптера полягає у зміні принципу роботи адаптера. Це не обробка запитів від ГІС, а перетворення реляційної інформації в об’єктну, щоб ГІС зверталася до будь-яких елементів трубопровідної системи, як до об’єкта, з визначеним набором властивостей. Генерація запитів при звертанні ГІС до об’єкта покладається на адаптер. ГІС не має необхідності генерувати SQL-запити. Метод дозволяє при побудові ГІС повністю абстрагуватися від реляційної моделі даних і працювати тільки з об’єктами. Новий метод дозволяє:

збільшити швидкість розробки проекту;

зменшити витрати на розробку;

зменшити витрати на підтримку проекту;

здійснювати контроль за видобуванням інформації з БД в одному місці адаптері, що має підвищити достовірність і якість інформації;

завдяки додаванню в об’єктно-реляційний адаптер просторових функцій дає можливість працювати з просторовими об’єктами.

Рис. . Схема методу функціонування об’єктно-реляційного адаптера

У третьому розділі вдосконалена геоінформаційна модель даних для магістрального газопроводу. Модель ГМДГ розрахована на збереження даних у РБД. Розроблено загальні положення. ГМДГ дозволяє зберігати дані в одній базі, що дозволить знизити витрати на збирання й обробку даних. ГМДГ має різні галузі застосування не тільки для збереження даних по магістральному газопроводу, але і по будь-якій трубопровідній системі. Є універсальний механізм розширення моделі даних. Далі розроблено структуру й елементи моделі ГМДГ. Розроблено загальну структуру ГМДГ моделі даних. Розроблено структуру основних таблиць, у якій входять таблиця об’єктів, каталог типів, таблиці групування, гідравлічного моделювання й інші таблиці. Розроблено модель географічної прив’язки (рис. 4). На відміну від форматів опису просторових даних, які використовуються у геоінформаційних системах загального призначення, ГМДГ дозволяє вирішити одну з найбільш складних задач просторового опису складних трубопровідних систем, пов’язану з множинністю джерел географічних координат і багатозначністю пов’язаних з ними об’єктів. Існує можливість зберігати декілька вісьових ліній трубопроводу. За допомогою механізму групування ГМДГ дозволяє будувати будь-які ієрархії елементів трубопровідної системи.

Рис. . Модель географічної прив’язки

Передбачено структуру таблиць для мережної топології, що може використовуватися для гідравлічного моделювання. Модель дозволяє прив’язувати будь-яку структуру документів до елемента трубопроводу. Моделлю передбачено більше ста атрибутивних таблиць з можливістю збереження практично всіх необхідних даних по газопроводу. Передбачено можливість розширення ГМДГ новими типами елементів без внесення змін у базову структуру моделі.

У четвертому розділі проведена розробка конструктивних моделей об’єктно-реляційного адаптера. Розроблено модель доступу до даних ГIС, механізм функціонування об’єктного представлення, модель адаптера під ГМДГ модель даних. Модель доступу до даних ГIС (рис. 5) призначена для зв’язку ГІС з будь-якою моделлю даних, що зберігається в РБД. Модель надає механізм звертання до будь-якого рядка будь-якої таблиці РБД за допомогою об’єктного підходу. Модель доступу до даних ГIС це основа для створення адаптерів під конкретні моделі даних. Внесення змін у схему РБД не впливає на модель функціонування доступу до даних ГIС. Розроблено модель класів доступу до даних ГIС.

Рис. . Модель доступу до даних ГIС

Модель доступу до даних ГIС має слабку практичну цінність, вона є базою для побудови адаптерів під конкретні моделі даних. Розглянемо питання впливу зміни схеми бази даних на модель доступу до даних ГIС. Розглянемо схему звертання.

Рис. . Схема звертань адаптера, побудованого на базі моделі доступу

до даних ГIС

Кількість об’єктів, наданих адаптером для ГІС, відповідає сумарній кількості рядків у таблицях. Можна сказати, що зміна назв атрибутів і таблиць, додавання, вилучення таблиць і полів не спричинить внесення ніяких змін у роботу такого об’єктно-реляційного адаптера. Зміниться тільки кількість об’єктів.

Далі розроблено механізми функціонування об’єктно-реляційного адаптера, що включають аналіз і обробку звертань до адаптера. Модель об’єктно-реляційного адаптера під ГМДГ модель даних дозволяє представити для ГІС в об’єктному вигляді всі елементи ГМДГ моделі даних, що зберігаються в РБД. Проведені дослідження з питання впливу змін у схемі РБД на роботу адаптера показали, що при додаванні нових атрибутивних таблиць і зміні кількості атрибутів у цих таблицях функціонування адаптера не зміниться. Складемо модель, яку необхідно додати до моделі доступу до даних ГІС, для обліку всіх особливостей ГМДГ. Адаптер має реалізувати доступ до всіх елементів, що зберігаються в моделі ГМДГ. Кожен блок керування моделі (рис. 7) обмінюється з об’єктно-орієнтованою ГІС даними за допомогою об’єктних інтерфейсів (рис. 8). При додаванні будь-якої нової таблиці для оптимальної роботи можна внести деякі зміни в адаптер і ГІС. Для програмної реалізації обрано метод створення адаптера у вигляді програмного компонента системи.

Рис. . Модель об’єктно-реляційного адаптера під ГМДГ

Рис. . Схема обміну даними блоку керування

У п'ятому розділі проведено апробацiю розроблених методів і моделей сполучення ГIC із РБД. Розроблена модель класів адаптера під ГМДГ модель даних на основі моделі доступу до даних ГIС. Розглянуто як загальну структуру класів, так і їхні конкретні властивості та методи. Розроблено загальну схему класів адаптера під ГМДГ модель даних (рис. 9), основний клас адаптера, класи доступу до елементів трубопровідної системи, класи керування координатами, клас для роботи з атрибутивною інформацією, класи керування групуванням елементів, класи керування документами, що прив’язані до елемента трубопровідної системи, класи керування топологічними даними, необхідними для гідравлічного моделювання. Також розроблено класи, керуючі просторовою прив’язкою. Це класи керування трубопровідними лініями, маршрутами, ділянками безперервного пікетажу, пікетами, класи роботи з геометрією елементів з координатною прив’язкою.

.

Рис. . Схема класів об’єктно-реляційного адаптера під ГМДГ

Далі у роботі розроблені функціональні схеми програми відображення і програми редагування просторових даних. Програми необхiднi для перевірки концепції об’єктно-реляційного адаптеру сполучення об’єктної ГІС і реляційної моделі даних ГМДГ. Програми надають необхідні засоби для керування даними по магістральному газопроводу. Функціональні схеми можуть бути легко розширені новими модулями. При цьому в об’єктно-реляційний адаптер не потрібно буде вносити змін.

Для проведення експерименту у програмі перегляду і редагування були реалізовані звертання до БД не тільки через об’єктно-реляційний адаптер, але і за допомогою SQL-запитів. Стало можливим порівняти колишній метод звертання за допомогою запитів і новий метод за допомогою об’єктно-реляційного адаптера. Результати експерименту зведені в таблицю. Для того, щоб одержувати конкурентні переваги від використання нових технологій, застосовувати нові можливості у швидко змінюваному середовищі, інформаційні системи підприємств мають постійно обновлятися. Тому прискорення розробки системи має велике практичне значення. За рядом показників новий метод показав перевагу над колишнім методом. При створенні об’єктно-орієнтованої ГIС на основі такого адаптера, кваліфікація програміста може бути нижчою, витрати праці меншими, швидкість розробки вищою, ніж при використанні методу SQL-запитів. Кешування даних в адаптері дозволяє зменшити час повторного отримання даних.

Таблиця

Експериментальне порівняння методів сполучення

Категорія порівняння / метод | Метод SQL-запитів | Метод об’єктно-реляційного адаптера під ГМДГ модель даних

Швидкість розробки об’єктно-орієнтованої програми | Низька | Висока

(При експерименті на 30% вища)

Вимоги до кваліфікації програміста | Високі | Середні

Простота розробки програми | Складно | Середньо

Кількість змін у вихідному коді програми при модифікації схеми РБД | Модифікація в коді всієї програми | Якщо зміни непринципові, модифікацій немає. Якщо значні, то невеликі модифікації в коді програми.

Швидкість роботи при вибірці великих обсягів інформації | Висока | Середня (При експерименті на 5% нижча)

Швидкість роботи при вибірці малої кількості інформації | Висока | Висока (При експерименті приблизно однакова)

Швидкість роботи при звертанні до даних, запитуваних повторно | Як при звичайному звертанні | Висока, дані кешуються в адаптері (При експерименті в середньому на 35% вища)

У додатках наведено опис програм перегляду і редагування просторових даних, а також акти впровадження результатів дисертаційного дослідження.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено вирішення наукової задачі – сполучення об’єктно-орієнтованої геоінформаційної системи з реляційною базою даних за допомогою об’єктно-реляційного адаптера. Вирішення даної задачі полягає в застосуванні нового методу об’єктно-реляційного адаптеру, що бере на себе функції перетворення реляційних даних і об’єктів. Створена технологія дозволяє скоротити час на розробку ГIС, уніфікувати технології сполучення, у ряді випадків підвищити швидкість звертань. Розроблена геоінформаційна модель даних по газопроводу дозволяє зберігати дані по газотранспортному проекту в єдиній базі даних, що дозволить знизити витрати на збирання й обробку даних. Усі результати мають важливе наукове і практичне значення в галузі геоінформаційних технологій і керуванні магістральними газопроводами. В результаті дисертаційного дослідження отримані наступно нові наукові i практичні результати:

1. Аналіз стану в галузі сполучення ГІС і БД дозволив обгрунтувати необхідність проведення досліджень, направлених на розробку об’єктно-реляційного адаптера.

2. Вперше розроблено метод об’єктно-реляційного сполучення на базі об’єктно-реляційної алгебри. Об’єктно-реляційна алгебра доповнена просторовими операціями, які необхідні для застосування у геоінформаційних системах. Розробленій метод сполучення має ряд достоїнств у порівнянні з методом звертань за допомогою SQL-запитів. Розроблений метод дозволяє вирішити проблему невідповідності об’єктної і реляційної моделі у геоінформаційній системі, спрощує її створення та підвищує швидкість розробки.

3. Вдосконалено геоінформаційну модель даних по газопроводу. Розроблено механізми зберігання даних по магістральному газопроводу, які дозволяють зберігати дані більш ефективно. ГМДГ зберігає дані по стану газотранспортної системи в єдиній базі даних, що дозволить знизити витрати на збирання й обробку даних. Геоінформаційна модель надає всі необхідні для газової промисловості засоби. Розроблена пікетажна та координатна прив’язка елементів газопроводу, збереження топологічних даних та ієрархії трубопроводів, довільне групування елементів газотранспортної системи та просторова прив’язка документів та інших файлів.

4. Вперше розроблено модель спеціалізованого об’єктно-реляційного адаптера для ГМДГ, яка дозволяє максимально використовувати можливості геоінформаційніої моделі даних і заснована на розробленому методі об’єктно-реляційного сполучення. Розроблений спеціалізований об’єктно-реляційний адаптер дозволяє скоротити час на розробку геоінформаційних систем, у ряді випадків підвищити швидкість звертань, та уніфікувати технології сполучення.

5. У роботі створено ядро нової інформаційної технології об’єктно-реляційного адаптера для сполучення геоінформаційній системи із реляційною базою даних, яка базується на методі і моделях об'єктно-реляційного сполучення геоінформаційних систем і використовується для побудови геоінформаційної системи, як засобу сполучення об'єктного ядра геоінформаційної системи і реляційної бази даних по магістральному газопроводу.

6. Геоінформаційна модель даних по газопроводу реалізовано у вигляді логічної моделі бази даних, що дозволяє використовувати її для збереження даних у такій базі даних як Oracle та інших реляційних базах даних.

7. На основі розроблених моделей та методу створено програмну систему, що здійснює відображення і редагування просторових даних з використанням елементів об’єктно-реляційного адаптера. Програма відображає трубопровідну систему, дозволяє робити просторові запити і забезпечує інші необхідні функції пошуку і локалізації елементів магістрального газопроводу.

8. Практичне значення результатів роботи підтверджується їх впровадженням у ряді програмних систем, що у тій чи іншій формі використовують розроблені в дисертаційній роботі метод, моделі та процедури обробки. У вигляді програмної системи результати роботи впроваджені в ЗАТ “IнфоПолiПром” та ВАТ “Турбогаз”, використовуються у виробничому процесі при розробці програмних продуктів в ТОВ “Інтарі”. У Харківському національному університеті радіоелектроніки результати дисертаційної роботи впроваджено в науково-дослідні роботи та у навчальний процес.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ляховец С.В., Четвериков Г.Г. Геоинформационные системы для задачи управления проектами сложных природно-технических комплексов // Радиоэлектроника и информатика. – 2001. – № 3. – С. 114 – 121.

2. Ляховец С.В. Модель привязки линейных объектов для ГИС // Радиоэлектроника и информатика. – 2001. – № 4. – С. 99 – 107.

3. Ляховец С.В., Четвериков Г.Г. Дополнительные компоненты информационной модели ГИС // Радиоэлектроника и информатика. – 2002. – № 3. – С. 88 – 93.

4. Ляховец С.В., Четвериков Г.Г. Информационная модель ГИС и привязка в ней документов и графического образа объектов // Радиоэлектроника и информатика. – 2002. – № 2. – С. 84 – 92.

5. Ляховец С.В., Четвериков Г.Г. Алгебра сопряжения геоинформационных систем // Восточно-европейский журнал передовых технологий. – 2003. – №6. – С. 33 – 37.

6. Ляховец С.В. VRML и GeoVRML для ГИС // Сб. науч. трудов 5-й Междунар. молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”. – Харьков: ХТУРЭ. – 2001. – Ч.1. – C. 201 – 202.

7. Ляховец С.В. Графическая визуализация трубопроводной системы с использованием данных о пикетажной привязке // Сб. науч. трудов 8-й Междунар. конф. “Теория и техника передачи, приема и обработки информации” (“Интегрированные информационные системы, сети и технологии”) ИИСТ-2002. – Харьков: ХТУРЭ. – 2002. – С. 139 – 141.

8. Ляховец С.В. Сопряжение объектно-ориентированной ГИС с реляционной базой данных // Сб. науч. трудов 9-й Междунар. научной конф. “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. – Харьков: ХНУРЭ. – 2003. – С. 268 – 269.

9. Ляховец С.В., Четвериков Г.Г. Концепции модели данных для трубопроводов // Сб. науч. трудов 7-й Междунар. конф. “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. – Харьков: ХТУРЭ. – 2001. – С. 267 – 268.

АНОТАЦІЯ

Ляховець С.В. “Моделі об’єктно-реляційного сполучення геоінформаційних систем з базами даних”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. – Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2004.

У дисертації наведено рішення наукової задачі – сполучення об’єктно-орієнтованої геоінформаційної системи з реляційною базою даних за допомогою об’єктно-реляційного адаптера. Вирішення даної задачі полягає в застосуванні нового методу об’єктно-реляційного адаптера, що бере на себе функції перетворення реляційних даних і об’єктів. Створена технологія дозволяє скоротити час на розробку геоінформаційних систем, уніфікувати технології сполучення, у ряді випадків підвищити швидкість звертань. Розроблена геоінформаційна модель даних по газопроводу (ГМДГ) дозволяє зберігати дані по газотранспортному проекту в єдиній базі даних, що дозволить знизити витрати на збирання й обробку даних. ГМДГ надає всі необхідні для газової промисловості засоби. Усі ці результати мають важливе наукове і практичне значення в галузі геоінформаційних технологій і в керуванні магістральними газопроводами. На основі розроблених методів і моделей створено програмну систему відображення і редагування просторових даних.

Ключові слова: геоінформаційні системи, реляційні бази даних, об’єктно-реляційна алгебра, об’єктно-реляційний адаптер, метод сполучення, модель геоінформаційних даних, магістральні газопроводи.

АННОТАЦИЯ

Ляховец С.В. “Модели объектно-реляционного сопряжения геоинформационных систем с базами данных”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 – автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. – Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2004.

В диссертации приведено решение научной задачи – сопряжения объектно-ориентированной геоинформационной системы с реляционной базой данных с помощью объектно-реляционного адаптера. Решение данной задачи заключается в применении нового метода объектно-реляционного адаптера, который берет на себя функции преобразования реляционных данных и объектов. Метод основан на разработанной объектно-реляционной алгебре, которая позволяет просто перейти от реляционной модели к объектно-ориентированному подходу. Объектно-реляционная алгебра представляет собой набор операторов, использующих коллекции классов в качестве аргументов и возвращающих коллекции классов в качестве результата. В дополнение к стандартным операторам, введены особые географические операторы, предназначенные для проверки пространственных связей между двумя пространственными объектами. Метод преобразования проводит параллель между объектной и реляционной моделью. Новый метод объектно-реляционного адаптера позволяет решить проблему несоответствия объектной и реляционной модели.

Разработанная геоинформационная модель данных по газопроводу (ГМДГ) позволяет хранить данные по газотранспортному проекту единой базе данных, что позволит снизить затраты на сбор и обработку данных. ГМДГ предоставляет все необходимые для газовой промышленности специализированные средства. Разработана структура ГМДГ, в которую входит базовая таблица объектов, каталог типов, таблицы для хранения координат, таблицы группировки элементов, таблицы гидравлического моделирования и другие вспомогательные таблицы. Модель позволяет хранение координат в разных координатных системах, доступно хранение неоднозначной осевой линии трубопровода. Разработаны модели хранения пикетажно-привязанных объектов и объектов с точной координатной привязкой. На основе метода объектно-реляционного адаптера разработан специализированный объектно-реляционный адаптер под ГМДГ модель данных. Адаптер позволяет получить доступ ко всем элементам ГМДГ модели.

Созданная технология позволяет сократить время на разработку геоинформационных систем, унифицировать технологии сопряжения, в ряде случаев повысить скорость обращений. Все эти результаты имеют важное научное и практическое значение в области геоинформационных технологий и в управлении магистральными газопроводами.

На основе разработанных методов и моделей создана программная система отображения и редактирования пространственных данных, которая внедрена в народном хозяйстве.

Ключевые слова: геоинформационные системы, реляционные базы данных, объектно-реляционная алгебра, объектно-реляционный адаптер, метод сопряжения, модель геоинформационных данных, магистральные газопроводы.

ABSTRACT

Lyakhovets S.V. "Мodels of object-relational interface of geoinformation systems and data bases". – Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree, speciality 05.13.06 automated systems of management and progressive information technologies. – Kharkov national university of radioelectronics, Kharkov, 2004.

The scientific problem solution is given in the thesis - interface of object-oriented geoinformation system to a relational database with the object-relational adapter. The solution of the given problem consists in application of a new method of the object-relational adapter, which allows transformation from the relational data to the object-oriented approach.

Created technology allows to reduce time for development of geoinformation systems, unify technologies of interface, in a number of cases increase query speed . The developed geoinformation model of the data on a gas pipeline (GMDG) allows to store the data on gas project in a uniform database, that will allow to lower expenses for collecting data processing. GMDG gives all means, necessary for the gas industry. All these results have an important scientific and practical value in the field of geoinformation technologies and in management of main gas lines.

On the basis of the developed methods and models the program system of display and editing of the spatial data has been created.

Keywords: geoinformation systems, relational databases, object-relational algebra, object-relational adapter, method of interface, model of the geoinformation data, main gas pipelines.

Підп. до друку 12.11.04. Формат 60х84 1/16. Спосіб друку – різографія.

Умов. друк. арк. 1,2. Тираж 100 прим.

Зам. № 2-1144. Ціна договірна.

ХНУРЕ, 61166, Харків, просп. Леніна, 14

Віддруковано в навчально-науковому

видавничо-поліграфічному центрі ХНУРЕ

61166, Харків, просп. Леніна, 14