авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Разработка интеллектуальных геоинформационных систем на основе настраиваемой объектной модели предметной области

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ШПАКОВ

Михаил Владимирович

РАЗРАБОТКА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ НАСТРАИВАЕМОЙ ОБЪЕКТНОЙ МОДЕЛИ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

Специальность 05.13.11 «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2004

Работа выполнена в Санкт-Петербургском институте информатики и автоматизации РАН (Статус государственного учреждения).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Попович Василий Васильевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Присяжнюк Сергей Прокопьевич
кандидат технических наук Федоров Александр Анатольевич
Ведущая организация Главное Управление Навигации и Океанографии МО РФ

Защита диссертации состоится «___»________2004 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д.002.199.01 при Санкт-Петербургском институте информатики и автоматизации РАН по адресу: 199178, Санкт-Петербург, В.О., 14я линия, д. 39.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского института информатики и автоматизации РАН.

Автореферат разослан «____» ______________2004 г.

Ученый секретарь
диссертационного совета Д.002.199.01

Ронжин Андрей Леонидович

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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводится подробный анализ возможностей и проблематики современных геоинформационных систем. В результате обзора и классификации существующих программных средств ГИС-технологий рассматривается понятие интеллектуальной ГИС как геоинформационной системы, предназначенной для решения задач моделирования процессов и ситуаций и комплексного анализа разнотипных данных. Далее в главе формулируются требования, предъявляемые к интеллектуальным ГИС.

В настоящее время определился основной подход к решению задач семантического моделирования в ГИС. Этот подход заключается в выделении двух уровней моделирования: уровня концептуального моделирования предметной области (ПО) и уровня моделирования базы данных (знаний) ГИС. Концептуальная схема ПО есть множество типов, снабженное некоторой структурой. Структура задается множеством отношений и операций, определенных на множестве типов.

Для моделирования процессов и ситуаций на территории интеллектуальная ГИС должна поддерживать набор топологических отношений между объектами на этой территории. Если такие связи зафиксированы во внутренней модели, а ГИС может эффективно обрабатывать эти связи вместе с информацией о самих объектах, то мы можем выполнять действительно интеллектуальные аналитические операции, отображая затем результаты на изображении карты.





Традиционный подход к установлению топологических отношений, реализованный в топологических ГИС, распространяется только на примитивы или экземпляры объектов. Это объясняется тем, что широко представленные на рынке ГИС не являются в полном смысле слова объектно-ориентированными. В объектно-ориентированных системах мы имеем дело не только с экземплярами объектов, но и с их классами, причем эти классы связаны в многоуровневые конструкции путем реализации механизма наследования свойств.

Для объектно-ориентированных ГИС существует понятие концептуальных топологических отношений (КТО), распространяющих топологические отношения на классы объектов. В пределе, когда осуществляется переход от класса (т.е. множества однотипных объектов) к их экземплярам, КТО вырождаются в традиционные топологические отношения. КТО образуют многоуровневую систему, поскольку определяют связи между классами, также образующими многоуровневые конструкции. При использовании КТО в ГИС появляется возможность освободить пользователя от необходимости самому следить за тем, чтобы не ввести ошибки во взаимное расположение объектов разных классов на карте.

Таким образом, реально существует необходимость расширения объектной модели предметной области интеллектуальных ГИС. Такая модель должна поддерживать иерархическую структуру классов объектов ГИС, отношения (топологические и нетопологические) между объектами и классами объектов, а также обеспечивать взаимодействие объектов в распределенной среде. Для этого, прежде всего, необходимо обосновать и разработать методику разработки ГИС, включающую использование расширенных объектных моделей.

Во второй главе разрабатывается и анализируется методика создания интеллектуальных ГИС на основе настраиваемой объектной модели предметной области. Предложенная методика является частью общей методологии адаптивной разработки, которая представляет собой набор средств и методик для эффективного построения устойчивых и надёжных программ и включают в себя поддержку изменчивости и противоречивости требований к разрабатываемым системам. Методология адаптивной разработки построена на концептуальной базе теории сложных адаптивных систем. Она рассчитана на использование в экстремальных проектах, в которых превалируют быстрый темп разработок, непредсказуемость и частые изменения.

В рамках данного исследования предлагается обеспечить поддержку адаптивного жизненного цикла процесса разработки за счет использования настраиваемой объектной модели предметной области. Для этого в первую очередь необходимо:

  1. Выбрать средство разработки ядра ГИС.
  2. Разработать программное средство для создания и настройки объектной модели ПО ГИС.
  3. Разработать настраиваемую объектную модель ПО ГИС.

Общая структура предлагаемой методики разработки приведена на рис.1.

 Структура предлагаемой методики-0

Рис.1. Структура предлагаемой методики разработки

Ключевым этапом методики разработки является создание настраиваемой объектной модели ПО на основе концепции метаданных. Метаданные – это данные, описывающие организацию других данных. Например, совокупность значений свойств программного объекта описывает его текущее состояние и является конкретными данными. Следующим уровнем модели метаданных являются метаклассы. Метаклассы содержат информацию об имени класса, совокупности его свойств, типах каждого из свойств и т.д. Метаклассы используются для описания классов и отношений между ними в моделях программных систем.

В большинстве объектно-ориентированных языков программирования поддерживается только уровень метаданных, то есть описание классов объектов. Создание нового класса объектов возможно лишь путем его описания в исходном модуле программы программистом и последующей перекомпиляцией программного проекта.

Если реализовать в программной системе уровень метаклассов, то классы для такой программной системы становятся информационными объектами и переносятся из разряда программного кода в разряд данных, которыми способна манипулировать данная система.

Такой подход предоставляет следующие преимущества:

  • классы объектов предметной области и отношения между ними описываются не как программный код, а как данные, что значительно повышает гибкость программной системы и возможности ее адаптации к изменению требований;
  • изменение характеристик класса не влечет за собой необходимости изменения программного кода системы, вследствие чего упрощается процесс сопровождения библиотек классов;
  • библиотеки классов могут храниться в базе данных, при этом структура базы данных системы становится проще и не требует изменений при изменении описания классов.

Предлагаемая методика состоит из следующей последовательности действий:

1. Этап анализа:

  • выделение значимых для ГИС объектов предметной области;
  • классификация объектов по основанию общности свойств и поведения;
  • определение отношений между классами (обобщение, ассоциация, зависимость).

2. Этап проектирования:

  • специфицирование свойств классов с помощью средства разработки объектных моделей;
  • специфицирование интерфейсов (задач) для классов с помощью средства разработки объектных моделей.

3. Этап реализации:

  • Реализация методов интерфейсов (задач) для классов на соответствующем языке программирования;
  • Промежуточная отладка и тестирование программной системы.

Доказано, что предлагаемая методика разработки позволяет снизить трудоемкость разработки сложных программных систем, имеющих большое количество классов объектов, состояние которых необходимо сохранять в базе данных.

Третья глава посвящена реализации настраиваемой объектной модели предметной области интеллектуальной ГИС. Согласно общепринятой познавательной парадигме для абстрагирования любой предметной области первичными и атомарными признаются категории объектов и отношений между объектами. Отсюда формально модель ПО есть двойка ({D},{R}), где {D} – множество объектов, {R} – множество отношений между объектами. При этом межобъектные отношения проявляются вследствие наличия у объекта имманентных свойств.

В предлагаемой объектной модели множество отношений подразделяется на объектные отношения, устанавливаемые с помощью свойств объектов, и концептуальные отношения, устанавливаемые на уровне классов (отношения наследования, включения и т.д.). С другой стороны, в объектной модели ПО ГИС отношения делятся на логические и топологические.

{R} = <{RL}, {L}, {RT}, {T};

где {RL} и {L}- логические отношения (объектные и концептуальные соответственно),

а {RT} и {T} - топологические отношения (также объектные и концептуальные).



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.