Методика и технология создания информационно-аналитических систем мониторинга недропользования
На правах рукописи
Митракова Ольга Владимировна МЕТОДИКА И ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ Специальность 25.00.35 – Геоинформатика
Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук
Москва 2011
Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федера ции Всероссийском научно-исследовательском институте геологических, геофизических и геохимических систем (ГНЦ РФ ВНИИгеосистем).
Научный консультант – доктор технических наук, профессор Черемисина Евгения Наумовна Официальные оппоненты – доктор физико-математических наук, профессор Никитин Алексей Алексеевич;
доктор технических наук, профессор Веселовский Александр Владимирович;
доктор геолого-минералогических наук, профессор Боревский Борис Владимирович Ведущая организация – Федеральное государственное унитарное научно производственное предприятие «Росгеолфонд».
Защита диссертации состоится 11.10.2011 г. в 1400 часов на заседании дис сертационного совета Д216.011.01 при ВНИИгеосистем по адресу 117105, г. Москва, Варшавское шоссе д. 8, конференц-зал.
Тел. (495)954-53-50, факс (495) 958-37-
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИгеосистем Автореферат разослан – 09.09.2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук В.В. Муравьев Актуальность проблемы.
Слово «мониторинг» часто употребляется в современном обществе и проникает во все новые сферы хозяйственной практики. Понятие мониторин га обязательно включает в себя: наблюдение за объектами мониторинга, учет и контроль за их состоянием, анализ динамики изменения этого состояния и синтез мониторинговой информации для представления на различных уров нях управления. Иначе говоря, мониторинговые системы обладают некото рыми общими характеристиками, что позволяет выделить мониторинг в еди ную информационную сущность, реализация которой осуществляется в рам ках управленческой деятельности, а также разработать концепцию его опи сания, создания методического и технологического обеспечения информаци онных систем класса мониторинговых.
Цель мониторинга в сфере недропользования – оценка деятельности, связанной с изучением, разведкой и эксплуатацией недр. В системе такого мониторинга проводится оценка состояния недр и использования ресурсной базы, отслеживание процессов лицензирования и контроль выполнения ли цензионных условий, анализ режимов пользования природными ресурсами, планирование природоохранных мероприятий и пр. Информация об объектах мониторинга в области управления недропользованием характеризуется большими объемами, разнородностью, пространственной привязанностью, недоступностью объектов для прямого изучения, а соответствующие базы данных – территориальной распределенностью.
В настоящее время роль информационных мониторинговых систем в геологоразведке возрастает, однако их использование тормозится отсутстви ем утвержденных оценочных показателей объектов мониторинга, согласо ванных систем классификации информации, дублированием информацион ных потоков и функциональной нагрузки между организациями геологораз ведочной отрасли. Отсутствие унификации разработок ведет к появлению дублирующих и несовместимых между собой информационных систем, ис пользуются различные методики и технологии их построения, форматы хра нения данных и кодирования информации.
Таким образом, актуальна унификация методико-технологического подхода к созданию информационно-аналитического обеспечения монито ринга недропользования. В основе такого подхода – разработка по отдель ным направлениям управления недропользованием иерархических интегри рованных по данным территориально распределенных информационно аналити-ческих систем (ИАС) с возможностью удаленного доступа и син хронизации данных, предназначенных для решения задач мониторинга со стояния и использования недр на универсальной технологической основе.
Целью работы является разработка методики и технологии создания прикладных информационно-аналитических систем мониторинга недрополь зования, базирующейся на формализованном описании процесса мониторин га и унификации технологического подхода.
Основные задачи исследований.
1. Обзор и анализ определений понятия мониторинга, механизма его реализа ции, структуры и функций мониторинговых систем;
конкретизация задач и определение особенностей реализации мониторинга в сфере недропользо вания.
2. Формализация описания процесса мониторинга и определение подхода к проектированию прикладных информационных систем мониторинга не дропользования.
3. Создание методического обеспечения проектирования и разработки при кладных систем информационно-аналитического обеспечения мониторинга недропользования, определение принципов их организации и функциони рования.
4. Разработка унифицированной технологии построения интегрированных территориально распределенных информационно-аналитических систем мониторинга недропользования.
5. Апробация разработанного методического и технологического обеспече ния при создании прикладных информационно-аналитических систем мо ниторинга недропользования в геологоразведочной отрасли.
Методы исследований. Для решения сформулированных задач при менялись методы системного анализа, теории объектно классификационного моделирования сложных систем, проектирования и разработки баз данных и информационных систем, аналитические методы пространственного анализа и моделирования, поддержки принятия реше ний, организации Web-доступа.
Научная новизна. В диссертации:
впервые построена модель процесса мониторинга состояния сложных систем, описывающая структуру основных этапов и элементов мониторинго вой деятельности и обеспечивающая формализацию задач при разработке прикладных мониторинговых систем в сфере недропользования.
предложена методико-технологическая схема проектирования и разработки прикладных информационно-аналитических систем мониторинга недрополь зования на унифицированной технологической основе.
реализована технология создания прикладных информационно аналитических систем, основанная на совмещении этапов проектирования и разработки, в единой инструментальной среде.
на основе разработанной методики и технологии созданы комплексы мо делей (объектной, функциональной и динамической) с одновременной реа лизацией прикладных информационно-аналитических мониторинговых сис тем различной тематической направленности.
Защищаемые положения.
1. Построена модель процесса мониторинга и определена стратегия подхода к проектированию прикладных информационных систем на ее осно ве, обеспечивающие формализацию конкретных задач мониторинга и мето дику проектирования и разработки систем в сфере недропользования.
2. Предложенная методика проектирования и разработки информаци онно-аналитических систем мониторинга недропользования, включающая выбор схем организации и функционирования, определение состава и типа технологических компонентов, конструирование клиентских мест без ис пользования программирования, обеспечивает выбор оптимальной структу ры прикладных систем и определяет технологию их унифицированной раз работки с учетом специфики решаемых задач.
3. Технология проектирования и разработки территориально распреде ленных информационно-аналитических систем мониторинга недропользова ния, базирующаяся на инструментальной технологической платформе конст руирования ИАС, обеспечивает универсальность (функционирование в ло кальной сети Windows и глобальной сети Интернет), снижение трудозатрат на создание клиентских мест и их легкую модифицируемость, повышает скорость разработки и надежность работы прикладных систем.
4. Созданные на основе разработанной методики и технологии при кладные ИАС обеспечивают информационно-аналитическую поддержку ре шения различных задач мониторинга недропользования, включая формиро вание и унифицированное ведение учетных массивов геоданных, оценку те кущего состояния недр и прогноз его изменения, контроль и планирование использования ресурсов недр.
Практическая ценность и реализация работы. Полученные методи ческие и технологические результаты положены в основу создания, апроба ции и внедрения ряда прикладных ИАС в сфере мониторинга недропользо вания в федеральных и территориальных органах управления России и Рес публики Казахстан;
геологических организациях отрасли, в частности:
Мониторинг лицензирования:
Автоматизированная система лицензирования недропользования. Вне дрена в Центральном аппарате Роснедра, эксплуатируется всеми территори альными управлениями по недропользованию РФ.
Мониторинг ресурсной базы и состояния подземных вод:
Информационно-аналитическая система государственного мониторинга состояния подземных вод РФ. Внедрена в федеральном центре ГМСН (ФГУГП «Гидроспецгеология») и региональных центрах ГМСН РФ.
Информационная система государственного учета и баланса ресурсов и эксплуатационных запасов питьевых и технических подземных вод, включая БД сводного реестра лицензий и участков недр, выданных на добычу под земных вод. Передана для апробации в ФГУНПП «Росгеолфонд».
Информационно-аналитическая система по учету подземных вод Самар ской области. Внедрена в Куйбышевской гидрогеологической экспедиции.
Мониторинг ресурсной базы и объектов УВС Автоматизированная система «Мониторинг состояния и использования ресурсной базы углеводородного сырья распределенного и нераспределенно го фонда недр». Внедрена в ФГУП «ВНИГНИ».
Система информационно-аналитического сопровождения работ по выяв лению, обследованию и ликвидации экологически опасных скважин на нефть и газ нераспределенного фонда недр Российской Федерации. Внедрена в ОАО «НПЦ Недра».
Информационная система документального мониторинга фонда пара метрических, поисковых и разведочных скважин на нефть и газ. Внедрена в системе Роснедра, ОАО «НПЦ Недра».
Мониторинг минерально-сырьевой базы Информационная система Государственного банка информации о недрах и недропользовании Республики Казахстан. Внедрена в Комитете геологии и недропользования РК, Республиканском центре геологической информации «Казгеоинформ», МТД (территориальных управлениях) Республики Казах стан, Информационно-аналитическом центре геологических минеральных ресурсов РК;
и другие.
Апробация. Основные положения диссертационной работы докладыва лись на научных семинарах и конференциях, в том числе на Российско Казахстанском семинаре «Информационные системы в геоэкологии и приро допользовании» (Дубна, 1997), V и VI Международных симпозиумах по при менению математических методов в геологии, горном деле и металлургии (Дубна, 1996;
Прага, 1997), Международном конгрессе по урбанизации окру жающей среды Евро'98 "Человек в большом городе XXI века" (Москва, 1998), XXVIII, XXIX и XXX Международной конференции «Информационные тех нологии в науке, образовании и бизнесе» (Гурзуф, 2002, 2003), 5-я Всероссий ской научно-практической конференции «Геоинформатика в нефтегазовой и горной отраслях» (Москва-Ханты-Мансийск, 2002), Международной конфе ренции «Математическое моделирование природных экосистем» (Алматы, 2003), IV Европейском конгрессе региональной картографии и информацион ных систем в природоведении (Болонья, 2003), семинаре «Опыт применения информационно-аналитических моделей для поддержки принятия оператив ных и стратегических решений по управлению отраслью (регионом)» (Москва, 2003), Международной конференции «Геоинформационные системы в геоло гии» (Москва, 2002, 2004), научно-практической конференции «Основные на правления совершенствования деятельности организаций МПР России по фор мированию и использованию государственных информационных ресурсов в области геологии и недропользования» (Москва, 2007), XXXII и XXXIII Меж дународных геологических конгрессах (Флоренция, 2004;
Осло, 2008), 5-ой Международной конференции «Геоинформационные системы в науках о Зем ле. Использование достижений фундаментальной науки в практической дея тельности» (Дубна, 2008), II Всероссийской научно-практической конферен ции «Научные проблемы использования и охраны природных ресурсов Рос сии» (Самара, 2010), Международной научно-практической конференции «Питьевые подземные воды. Изучение, использование и информационные технологии» (Московская обл., п. Зеленый, 2011).
Личный вклад в решение проблемы. Диссертация основана на тео ретических, методических, и технологических исследованиях, выполненных автором в период 1996-2011 гг. Основные теоретические и методические ре зультаты получены непосредственно диссертантом. Автором разработана модель процесса мониторинга состояния сложных систем как основа для описания предметной области при построении мониторинговых ИАС, мето дические принципы организации и функционирования прикладных монито ринговых систем, их построения на основе совмещения этапов проектирова ния и разработки;
с участием автора реализована технология проектирования и разработки интегрированных территориально-распределенных ИАС мони торинга недропользования на унифицированной технологической основе.
На основе предложенного автором подхода к проектированию и разра ботке информационно-аналитических систем мониторинга недропользования реализована унифицированная технология, в рамках которой Д.Б. Аракчее вым, А.С. Поповым, А.В. Любимовой, К.В. Деевым, В.В. Труханкиным, А.С.
Чучукиным, Е.М. Юоном и др. разработана инструментальная технологиче ская платформа разработки прикладных систем «ИАС-конструктор».
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., проф.
Е.Н. Черемисиной, д.т.н. Л.Е. Чесалову, к.г.-м.н. М.В. Кочеткову, к.г.-м.н.
С.А. Каплану за ценные советы и постоянное внимание.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы и содержит 157 страниц машинопис ного текста. Список литературы включает 133 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Мониторинг состояния сложных систем и его реализация в управлении недропользованием Глава посвящена обзору определений понятия мониторинга, механиз ма его реализации, описаний структуры и функций мониторинговых систем, а также конкретизации задач и рассмотрению особенностей его реализации в сфере недропользования.
Раздел 1.1. посвящен обзору истории возникновения различных кон цепций определения «мониторинга» как понятия, носящего междисципли нарный характер, реализация которого осуществляется в рамках управленче ской деятельности;
рассмотрены основные компоненты системы мониторинга, стадии и этапы процесса мониторинга.
Мониторинг – процесс отслеживания состояния объекта (системы или сложного явления) с помощью непрерывного или периодически повторяю щегося сбора данных, представляющих собой совокупность определенных ключевых показателей. Латинские корни слова многозначны и расширяют толкование понятие «мониторинг», включая значение контроля за состояни ем исследуемого объекта.
История возникновения различных концепций определения понятия «мониторинг» началась в 70-80-х годах, когда альтернативные концепции определения понятия и сущности мониторинга выдвигались Ю.А. Израэлем, И.П. Герасимовым, Н.Ф. Реймерсом, И.В. Бестужевым-Лада и другими. Дис куссии касались смысла мониторинга, заключающегося в выполнении либо только наблюдательных, оценочных, и прогнозных функций, либо еще и «контроля оценивания и управления», а также «предупреждения». Сегодня официально принята концепция нацеленности мониторинга на управление, отсутствие такой нацеленности приводит к избыточности и недостаточности информации, ее невостребованности. Практика реализации экологического мониторинга в зарубежных странах также предусматривает его обязательную взаимосвязь с системами управления и реагирования.
Основная сфера практического применения мониторинга – информа ционное обслуживание управления в различных областях деятельности.
Многочисленные системы мониторинга обладают некоторыми общими ха рактеристиками, что дает возможность говорить о мониторинге как целост ном самостоятельном научно-практическом феномене, который носит меж дисциплинарный характер. Мониторинг рассматривается как информацион ная, диагностическая, прогностическая система, реализация которой осуще ствляется в рамках управленческой деятельности (А.Н. Майоров 1998), что определяет возможность построения единой концепции его формализованно го описания, отсутствующего до настоящего времени.
Системой мониторинга большинство исследователей называют сово купность элементов, составляющих структуру мониторинговой системы:
объекты мониторинга, субъекты мониторинга, комплекс мониторинговых показателей, мониторинговую деятельность, инструментарий мониторинго вой деятельности.
Наиболее часто объектами мониторинга являются сложные системы и явления (например, природные ресурсы, экологическое состояние гео среды, климат, здоровье, средства массовой информации, и пр.). Сложная система (Большая советская энциклопедия) – составной объект, части ко торого можно рассматривать как системы, закономерно объединённые в единое целое в соответствии с определенными принципами или связанные между собой заданными отношениями, и эти системы тесно взаимосвяза ны с внешней средой. Объединяет объекты мониторинга, принадлежащие различным сферам деятельности, их динамичность, то есть смена состоя ний.
Субъектами мониторинга являются носители мониторинговых функ ций, т.е. организации, структуры, отдельные люди, осуществляющие эти функции.
Комплекс мониторинговых показателей – это совокупность показателей, которые способны обеспечить целостное представление о состоянии системы, о качественных и количественных изменениях в ней.
Мониторинговая деятельность представляет собой совокупность мони торинговых процедур, например, сбор, обработка и представление информа ции, подготовка предложений по реализации результатов мониторинга и вари антов управленческих решений, организация и обеспечение мониторинговых процедур. С точки зрения специфики можно выделить два основных вида мониторинговой деятельности: 1) организация мониторинга и проведение наблюдений, 2) сбор и обработка информации с получением результатов мо ниторинга и рекомендаций по их реализации, т.е. собственно информацион но-аналитическое обеспечение, которое реализуется информационными мо ниторинговыми системами.
Инструментарием мониторинговой деятельности выступает совокуп ность аппаратурных средств для проведения наблюдений (измерений), формы статистической отчетности, информационных стандартов, анкет, опросных листов, и т.п., которые используют субъекты мониторинга в своей деятельно сти, а также различные технические и программные средства.
Механизм мониторинговой деятельности является системной совокуп ностью взаимосвязанных действий, он делится на стадии и этапы. Исследо вателями выделяются три стадии мониторинга (Н.Н. Толмачева, 2000): орга низации мониторинга – его правовое и нормативное обеспечение (подгото вительная стадия), проведение мониторинга – методическое обеспечение, проведение и получение результатов наблюдений (основная стадия), реали зация результатов мониторинга – поддержка принятия управленческих ре шений по результатам мониторинга (завершающая стадия).
Существование большого количества различных систем мониторинга порождает необходимость их определенного упорядочивания. С этой целью приводятся наиболее часто используемые основания классификаций видов мониторинга (Т.И. Боровкова, И.А. Морев, 2004). Определяющим основани ем классификации является сфера применения, определяющая объект мони торинга, т.е. предметную область процесса.
В разделе 1.2 автором фиксируются задачи мониторинга, относящиеся к сфере применения «недропользование», т.е. мониторинга состояния и ис пользования недр в целях поддержки управления геологической отраслью;
рассматриваются основные проблемы и факторы организации, проведения и реализации результатов мониторинга недропользования.
В качестве основных задач мониторинга состояния недр и недрополь зования выделяются:
1. Формирование геологических информационных ресурсов и унифициро ванное ведение учетных массивов данных (кадастров, реестров, данных ста тистической отчетности).
2. Оценка и прогноз состояния недр и недропользования на различных ие рархических уровнях управления (лицензирования, изученности, состояния подземных вод, фонда скважин, выполнения геологоразведочных работ (ГРР) и др.).
3. Разработка рекомендаций для предупреждения возникновения и развития чрезвычайных ситуаций и экологической опасности, связанных с природны ми катастрофами (в частности, опасными геологическими процессами), тех ногенными авариями и результатами геологоразведочной деятельности.
4. Поддержка контроля в области использования и охраны недр.
5. Информационно-аналитическое обеспечение планирования изучения и освоения ресурсов недр (формирования программ ГРР и лицензирования, выбора стратегии освоения геологических объектов и т.д.).
В разделе 1.3 описаны особенности мониторинга недропользования, оп ределяющие условия реализации результатов мониторинговой деятельности. В качестве таких особенностей рассматриваются следующие.
Информация об объектах мониторинга в области управления недро пользованием характеризуется территориальной распределенностью, больши ми объемами данных, разнородностью, пространственной привязанностью, недоступностью объектов для прямого изучения – то есть слабой формализо ванностью предметной области, к которой относятся ресурсы недр и недро пользование. Это накладывает дополнительные условия на гибкость среды хранения данных и организацию удобного доступа к ним, используемые тех нологические средства.
Информация, предоставляемая на различных уровнях управления, должна быть в разной степени агрегирована и симплифицирована, что опреде ляет необходимость унификации информационных ресурсов и интеграции по данным мониторинговых информационных систем. В то же время проводимые в настоящее время работы по ведению мониторинга недропользования не в полной мере обеспечены нормативно-методической базой: отсутствуют стан дарты и требования, регламентирующие сбор, систематизацию, идентифика цию данных, низка степень согласования классификационных основ информа ции;
наблюдается множественное дублирование информационных потоков.
При этом зачастую реализация новой системы является расширением сущест вующей системы или может иметь тип системной интеграции (объединять не сколько существующих систем и баз данных).
Система наблюдений во многом строится на отчетных материалах, ре зультатах анкетирования, включая характеристики состояния и качества ре сурса, т.е. мониторинг в основном является статистическим, а не инструмен тальным. Вследствие этого важным фактором является технологическая осна щенность средствами коммуникации и информационных технологий для орга низации сбора, анализа и обобщения данных и документов статистической и производственной отчетности.
Многообразие тематических направлений и объектов мониторинга, видов исходной информации, специализированных мониторинговых пока зателей, выходных аналитических материалов и карт определяет широкий спектр используемых методов аналитической обработки данных и модели рования с выходом на интегральные оценки и прогноз состояния объектов мониторинга.
Реализация результатов мониторинга является, по сути, принятием управленческих решений различного рода и должна опираться на информаци онную поддержку экспертных методов и систем поддержки принятия решений в части представления результатов мониторинга для органов управления, ав томатизации получения вариантов управленческих решений и выбора из них приоритетных.
В разделе 1.4 на основе выделенных в разделах 1.2-1.3 задач и особен ностей реализации мониторинговой деятельности в сфере управления недро пользованием автором формулируются основные условия функционирования и требования к прикладным информационным системам мониторинга недро пользования:
различная предметная ориентированность систем мониторинга и не доступность объектов для прямого изучения, что характерно для слабо формализованной предметной области = – учет изменяющихся требований к системе в процессе разработки, – гибкость среды хранения данных, простота и модифицируемость ин терфейса информационной системы.
большие объемы накопленных разнородных, сложно организованных данных = необходимость использования существующих локальных систем и баз данных, обеспечение согласования и загрузки ретроспективных данных.
пространственно-привязанная информация = накопление, сохранение и оперирование пространственно привязан ной информацией, необходимость сопряжения фактографической и картографической информации.
территориальная распределенность информационных источников = многопользовательская работа с базами данных мониторинга с орга низацией доступа удаленных подразделений, необходимость защиты информации и регламентации доступа поль зователей.
отсутствие единой инфраструктуры информационных ресурсов = обеспечение согласования и непротиворечивости данных в информа ционной системе на основе использования унифицированной систе мы классификаторов, иерархическая организация систем (федеральный, региональный, территориальный уровни управления), настройка на конкретные информационно-аналитические задачи.
Сформулированные требования определяют необходимость выработки унифицированного подхода к описанию задач мониторинга и проектирова нию прикладных информационных систем.
Таким образом, в результате выполненного в главе анализа обоснована необходимость разработки единой концепции описания (построения форма лизованной схемы, или модели) мониторинговой деятельности;
проведена конкретизация задач и определены требования к прикладным информацион ным системам мониторинга недропользования для выработки методического и технологического подхода к их проектированию и разработке.
Глава 2. Формализация описания процесса мониторинга и определение подхода к проектированию прикладных информационных систем мони торинга недропользования В главе строится формализованное описание (модель) процесса мони торинга состояния сложных систем, представляющее собой последователь ность основных этапов, реализуемых функций и результатов мониторинго вой деятельности. Предлагается подход к проектированию прикладных ин формационных систем мониторинга недропользования путем построения комплекса моделей (объектной, функциональной и динамической) системы при совмещении этапа проектирования с технологической реализацией.
В разделе 2.1 строится формализованное описание (модель) процесса мониторинга состояния сложных систем.
Согласно теории объектно-классификационного моделирования сложных систем (А.С. Устенко, 2000 г.) для формализованного представления любого объекта O необходимо определить все его атрибуты и описать процесс Q изме нения значений этих атрибутов во времени под воздействием различных факто ров. Первое описание называют статической моделью объекта, а второе – моде лью поведения объекта в заданных условиях. Обозначим описание имени (иден тификатора) объекта из классификационного пространства символом K, описа ние неизменяемых атрибутов объекта символом A и описание свойств, отноше ний и функций, определяющих поведение объекта, символом Ф. Тогда статиче ская модель объекта есть формула: O(K, A,, t). Символ t здесь указывает на то, что статическое описание объекта всегда относится к какому-то моменту времени, то есть характеризует некоторое состояние объекта.
Поведение объекта мониторинга есть процесс изменения его состояний во времени под воздействием множества внешних и внутренних факторов. Этот процесс полностью определяется следующим описанием: Q(K, G, F, T), где F – база факторного пространства. Фактор времени Т вынесен из множества F в силу его особой значимости в процессе поведения объекта. G – множество всех атрибутов объекта, складывается из двух подмножеств G=АUX, где А – под множество неизменяемых (классификационных) атрибутов объектов, таких как регистрационный номер, тип, координаты;
а подмножество X содержит пара метрические атрибуты (свойства), которые могут изменять свои значения со временем под воздействием внешних и внутренних факторов F, то есть характе ризуют состояние объекта. Параметрические свойства X являются функциями времени t и других F, воздействующих на объект Oj.
Набор значений всех атрибутов объекта в определенный момент вре мени называется состоянием данного объекта. Множество атрибутов (A1,A2,...,As,X1,X2,…,Xn,t) образует пространство состояний объекта Oj, а набор значений этих переменных называется координатами состояний объ екта Oj. Последовательная смена состояний объектов мониторинга называет ся процессом мониторинга.
В соответствии с введенными обозначениями:
Q = f (K, A, X, T) – математическое описание процесса изменения состояний объекта мониторинга, где с точки зрения уровня управления, т.е. обобщения информации, выделяются:
K = {Kn, Ko, Kq} – объекты наблюдения, обобщения, объект мониторинга:
Объекты наблюдения – объекты, являющиеся предметом постоянного слежения с отбором ряда наблюдаемых показателей и индикаторов, полу чаемых путем непосредственного измерения или описания параметров со стояния объекта (в статотчетности и анкетах, собираемых периодически);
Объекты обобщения – совокупности (классы) объектов наблюдения, объединяемые по тематическому, пространственному или временному осно ванию, по которым производится оценка состояния и прогнозирование, опи сываемые расчетными и оценочными показателями;
Объекты мониторинга – сложные системные объекты (например, за пасы и ресурсы, лицензирование, экологическое состояние, миграции, кли мат, здоровье, выборы, средства массовой информации и пр.), характеризуе мые интегральными оценками, призванными обеспечить целостное пред ставление о состоянии объекта (системы), качественных и количественных изменениях его состояния.
Описывающие объекты показатели делятся на:
K = {Kn, Ko, Kq} – объекты наблюдения, объекты обобщения, объект монито ринга, A = {U(Aкn), U(Aкo), Aкq} – атрибуты объектов, их определяющие свойства, X = {U(Xn(t)), U(Xo(t)), U(Xq(t))} – параметрические свойства, определяемые внутренними и внешними факторами, и характеризующие состояния объектов, T ={Tn, To, Tq, t0,} – периодичность фиксации динамики изменения состоя ния объектов, т.е. получения наблюдений, проведения обобщений, получе ния результатов мониторинга и момент начала наблюдений.
Например, для мониторинга состояния подземных вод (ГМСН):
Объекты наблюдения Kn – скважина, водозабор;
Объекты обобщения Ко – участок загрязнения, месторождение, водо носный горизонт;
Объекты мониторинга Kq – субъект федерации, гидрогеологическая структура, территория РФ.
Для каждого типа объектов наблюдения Kn определяются:
– неизменные атрибуты U (AKn) – кадастровый номер, географические коор динаты, тип;
– параметрические свойства Xn, например, наблюдаемые на скважине и оп ределяемые внутренними факторами – уровень, температура, содержания химических компонентов-загрязнителей;
определяемые внешними фактора ми – отнесение скважины к водозабору, месторождению;
недропользовате лю, водопользователю;
– периодичность Tn, т.е. частота наблюдений за показателями режима под земных вод (суточные наблюдения на скважине, годовой объем водоотбора на водозаборе) и периоды, выбираемые для выборки и представления наблю даемых значений (например, среднемесячные, сезонные, годовые).
Для объектов обобщения Ko определяются расчетные и обобщающие показатели Xo – тип состава воды, минерализация, перечень компонентов, превышающих допустимый уровень загрязнения и пр.
Периодичность To является периодичностью обобщения наблюдаемых и рассчитанных показателей (прогноз уровня, качество воды на месторожде нии подземных вод и пр.).
В качестве оценочных показателей Xq для объектов мониторинга Kq выступают сложные многомерные показатели (например, баланс эксплуата ционных запасов подземных вод) и комплексные многокритериальные оцен ки (гидрохимическое, гидродинамическое состояние подземных вод), а также периодичность их представления.
Формализованное описание (модель) процесса мониторинга (рис. 1) строится как последовательность основных этапов, реализуемых функций и результатов мониторинговой деятельности. В модели выделены четыре этапа, определен состав базовых функций каждого из этапов мониторинговой дея тельности и приведено формализованное описание результатов, основанное на предложенном математическом описании процесса мониторинга.
Рис. 1. Формализованное описание (модель) процесса мониторинга На первом этапе обеспечивается формализация конкретной задачи мони торинга;
на втором этапе формируется учетный массив данных за период на блюдений;
на третьем проводится оценка состояния и прогноз изменения объ ектов обобщения на основе анализа динамики состояний и синтеза мониторин говой информации;
на четвертом осуществляется поддержка контроля объекта мониторинга и планирования управленческих решений на основе получения интегральных оценок пространства его состояний.
Применительно к основным задачам мониторинга недропользования, выполнение второго этапа реализует формирование геологических информа ционных ресурсов и унифицированное ведение учетных массивов данных;
на третьем этапе обеспечивается проведение оценки и прогноза состояния недр и недропользования на различных иерархических уровнях управления;
ре шение задач предупреждения возникновения и развития чрезвычайных си туаций, контроля использования и охраны недр и планирования изучения и освоения ресурсов является реализацией результатов мониторинга и достига ется на последнем четвертом этапе.
Построенная модель принимается за основу для формализации кон кретных задач мониторинга и проектирования функционала прикладных ин формационных мониторинговых систем.
В разделе 2.2 предлагается методический подход к проектированию и разработке прикладных информационных систем в сфере мониторинга не дропользования, основанный на модели процесса мониторинга и построе нии комплекса из объектной, динамической и функциональной моделей системы.
На этапе проектирования системы проводится анализ требований к создаваемой системе и формализация конкретной задачи мониторинга. В со ответствии с разработанной моделью процесса мониторинга сначала выде ляются сущности (объекты наблюдения и обобщения), которыми должна оперировать система, определяется множество атрибутивных (постоянно присущих) и параметрических (мониторинговых) свойств.
Затем уточняются связи между объектами и описываются способы взаимодействия сущностей между собой. Конкретизируются функции систе мы на всех этапах мониторинговой деятельности, фиксируются потоки дан ных и способы их специализированной обработки.
Все это приводит к созданию трех взаимосвязанных моделей предмет ной области: объектной модели (структура объектов предметной области и связи между ними), динамической модели (события, происходящие в систе ме, и переход объектов из одних состояний в другие под воздействием этих событий), и функциональной модели (взаимосвязь функций и потоков данных в системе). Функциональная модель определяет также состав внешних ана литических функций системы.
Объектная модель представляет собой статическую структуру проек тируемой системы и определяет логическую структуру базы данных (БД).
Однако знания статической структуры недостаточно, чтобы понять и оце нить работу системы, необходимо иметь средства для описания изменений, которые происходят с объектами и их связями во время работы системы. Та кими средствами являются динамическая и функциональная модели систе мы, которые отражают последовательность изменения и обработки данных.
Эти модели составляются в виде диаграмм потоков данных и состояний объ ектов и подсистем и, как правило, составляют основу рабочего (клиентского) места системы.
При переходе от проектирования к разработке прикладной системы в случае с базой данных существует множество инструментальных средств проектирования (CASE-систем), позволяющих автоматизировать процесс перехода от модельного представления к физической реализации.
При разработке же клиентских мест собственно программирование произ водится независимо от средств проектирования. В то же время, специфика создания прикладных систем такова, что зачастую на этапе проектирова ния невозможно полностью описать все требования к будущей системе, а процесс их уточнения и внесения изменений в систему затрагивает даже этап опытной эксплуатации. Это усложняет разработку и увеличивает временные затраты.
Решением проблемы оторванности средств проектирования от средств разработки является развитие модели жизненного цикла создания программных систем RAD (Rapid Application Development (быстрая раз работка приложений) M.Jarnes, 1991) до уровня совмещения инструмен тальной среды проектирования со средой разработки. Процесс создания клиентских мест становится процессом их конструирования из готовых многократно используемых инструментальных программных компонен тов, реализующих какие-либо функции системы (экранных форм для ра боты с данными, запросов к базе данных, многомерных кубов данных, диаграмм, отчетов, геосцен и т.д.) сразу с получением рабочего варианта клиента системы.
При этом комплекс трех моделей системы должен строиться следую щим образом: объектная модель системы реализуется структурой и физиче ской моделью базы данных, а динамическая и функциональная модели стро ятся сразу в среде конструирования клиентских мест, минуя этап построения диаграмм потоков данных и состояний ее объектов и подсистем. Рабочее ме сто системы в этом случае создается как иерархия настраиваемых функцио нальных элементов системы, ее формирование позволяет разобраться в пото ках данных и состояний, т.е. построить функциональную модель с учетом изменения состояний.
На основании всего вышеизложенного формулируется первое защи щаемое положение:
Построена модель процесса мониторинга и определена стратегия подхода к проектированию прикладных информационных систем на ее осно ве, обеспечивающие формализацию конкретных задач мониторинга и мето дику проектирования и разработки систем в сфере недропользования.
Глава 3. Методика проектирования и разработки информационно аналитических систем мониторинга недропользования В главе предложена методико-технологическая схема проектирования и разработки прикладных информационных мониторинговых систем. Рассмат риваются методические вопросы определения функций информационно аналитического обеспечения мониторинговой деятельности в сфере управле ния недропользованием, описаны разработанные подходы к построению реа лизующих их прикладных информационных систем: выбор способов реализа ции технологических компонентов, схемы организации и функционирования.
В разделе 3.1 определяются функции информационно аналитического обеспечения мониторинговой деятельности в сфере не дропользования (табл. 1), вытекающие из модели (реализуемых функций) процесса мониторинга, сформулированных в разд. 1.2 задач и требований к прикладным информационным системам мониторинга в сфере недро пользования (разд. 1.4).
Таблица Функции информационно-аналитического обеспечения мониторинговой деятельности в сфере недропользования Формирование унификация состава и структуры информационных ресур геологических сов информационных унификация классификационной основы ресурсов и уни- регламентация ведения массивов учетных данных фицированное ввод данных наблюдений ведение учетных заполнение первичной отчетности массивов данных привязка данных наблюдений сбор и передача данных наблюдений и сведений статистиче ской отчетности подготовка картографических основ для отображения дан ных формирование интегрированных баз данных для ведения учетных массивов информационных ресурсов отображение учетных данных на картографической основе Оценка и про- формализация критериев оценки состояния и форм отчет гноз состояния ной информации недр и недро- фиксация способов расчета производных показателей пользования на анализ временных рядов наблюдений различных ие- статистическая обработка данных и сведений отчетности рархических для получения агрегированных показателей по комплексу уровнях управ- параметров ления сведение и обобщение информации по уровням управления моделирование объектов и процессов прогнозирование динамики изменения объектов пространственный анализ Предупреждение построение запросов для получения оперативной информа ЧС, контроль и ции о состоянии объектов и процессов мониторинга планирование формирование регламентированной отчетности изучения и ос- динамическое формирование нерегламентированных ин воения ресурсов формационно-справочных материалов формирование вариантов управленческих решений по пла нированию, изучению и освоению ресурсов недр ранжирование управленческих решений по приоритетности В разделе 3.2 определяется тип информационных систем, наиболее эффективно реализующих функции информационно-аналитического обеспе чения мониторинговой деятельности в сфере недропользования, описаны основные технологические компоненты и методики их разработки.
В качестве таких систем рассматриваются информационно-аналити ческие системы – сложный технико-технологический и программный ком плекс, обладающий функционалом: информационно-поисковых систем с ис пользованием систем управления базами данных (СУБД), систем обработки данных (СОД), геоинформационных систем (ГИС), систем поддержки при нятия решений (СППР), и функционирующих на единой технической и ком муникационной платформе с использованием средств организации удаленно го доступа к данным (Web) (рис. 2).
Cредства организации и управления базами данных (СУБД) Средства аналитической обработки, анализа и моделирования (СОД) Геоинформационная cистема (ГИС) Cистемы поддержки принятия решений (СППР) Техническая и коммуникационная платформа Рис. 2. Компоненты прикладной ИАС Описан методический подход к их реализации в прикладных системах мониторинга недропользования.
Определение состава и типа компонентов ИАС.
СУБД. Для создания прикладных ИАС мониторинга недропользования необ ходимо обеспечить согласованное ведение информационных ресурсов, в ко торых интегрируется информация из баз данных территориальных реестров и кадастров, справочно-статистические данные;
использовать согласованную систему справочников и классификаторов, т.е. крупные ИАС должны быть основаны на создании интегрированных распределенных БД. Разноуровне вость управленческих структур и различная степень агрегации данных опре деляют необходимость работы с серверными данными, управляемыми раз личными СУБД (MS SQL-server, Oracle и др.), что обеспечивается выделени ем логической и физической моделей БД, делает ее мобильной и переноси мой. Многопользовательская работа с базами данных в условиях территори альной распределенности организаций-пользователей как в рамках локальных сетей, так и на основе Internet определяет архитектуру ИАС как развитие архи тектуры «клиент – сервер» в трехзвенную «клиент – сервер приложений – сер вер БД» и требует универсального подхода к разработке настольных и web компонентов системы.
СОД. Важной составляющей прикладных ИАС является аналитическая компонента, которая включает как функции, непременно присущие любым системам мониторинга (анализ временных рядов наблюдений, статистическая обработка данных и сведений отчетности для получения обобщенных показа телей, получение и графические представления агрегированных показателей по комплексу параметров, сведение информации по уровням управления), так и специализированные для решения различных задач средства расчета произ водных мониторинговых показателей, прогнозирования динамики изменений, моделирования объектов и процессов. Такие средства могут быть уже реализо ваны в различных средах программирования, наличие и обоснование исполь зования таких средств определяют необходимость подключения к создаваемой системе внешних аналитических компонентов.
ГИС. Одним из основных видов информации при решении прикладных задач в сфере недропользования являются пространственно-привязанные дан ные. Анализ геоинформации позволяет зафиксировать положение и состояние объектов наблюдения на территории, выявить изменения их характеристик в пределах объектов обобщения (административных или физико географических регионов), а также получить новую информацию по объектам мониторинга на основании обработки исходных картографических данных методами статистических или эвристических оценок, районирования и др.
Поэтому ГИС-компонента является важной составляющей прикладных систем. В работе формулируются два основных методических подхода к реа лизации ГИС-компоненты прикладных ИАС в зависимости от используемых технологических средств.
1. Использование коммерческих ГИС позволяет создавать рабочие места, ориентированные на сложные картографические работы, снизить объ ем разработки за счет использования готовых средств визуализации и про странственного анализа, использовать стандарты представления пространст венных данных. Недостатки подхода: необходимость синхронизации данных (как в части векторных слоев, отвечающих за координатную привязку объек тов, так и в части формирования структур для передачи данных из БД в ГИС) и следовательно, перекладывание на конечного пользователя системы задач, связанных с ее администрированием. Кроме того, пользователь такой систе мы должен быть специалистом в геоинформационных технологиях.
2. Разработка собственных ГИС-приложений позволяет создавать узко-ориентированные рабочие места, настроенные на конкретную СУБД, структуру базы данных. Их интерфейсы просты, ими может пользоваться специалист любого уровня подготовки. Однако их реализация требует боль шого времени и трудозатрат, а расширение круга решаемых задач, как пра вило, влечет за собой серьезные изменения в системе и невозможно без уча стия разработчика.
Делается вывод, что при выборе подхода и средств для реализации ГИС-компоненты необходимо руководствоваться: 1) уровнем пользователей, на который ориентирована система, и существующими у него техническими возможностями;
2) кругом задач, решение которых должно быть обеспечено;
3) допустимыми объемами ресурсов, которые будут отведены на реализацию проекта.
В рамках подхода автором формулируются основные методические принципы реализации ГИС-компоненты ИАС:
конкретизация ГИС-функций на этапе проектирования ИАС;
простота и интуитивная понятность интерфейса встроенного ГИС-клиента;
обеспечение формирования рабочего места ГИС из набора уже готовых функциональных модулей с возможностью настройки на различные СУБД;
хранение геометрии объектов мониторинга в БД в географических коорди натах с изменением данных только через клиентское место БД;
возможность загрузки, хранения и динамического обновления картосновы;
возможность редактирования описания структур данных, наборов условных обозначений, правил взаимодействия ГИС и БД во встроенном ГИС клиенте;
модули встроенного ГИС-клиента должны являться компонентами клиента БД, внешний ГИС-клиент должен функционировать как «независимое» приложение с запуском его из-под клиентского места БД.
СППР. Для эффективной оценки исходной и агрегированной информа ции и получения вариантов управленческих решений необходимо включение в ИАС блока поддержки принятия решений. Современные системы поддержки принятия решений (СППР) должны обеспечить удобный пользовательский интерфейс, ориентированный на создание комплексной модели задачи. Важ ной функцией СППР является также автоматический анализ экспертных суж дений на результирующем этапе принятия управленческих решений с целью анализа качества полученных оценок состояния объектов мониторинга и вы бора предпочтительного из нескольких полученных системой альтернативных вариантов решений.
Далее в работе в разделе 3.3 рассмотрены методические вопросы, воз никающие при создании прикладных территориально распределенных ИАС:
выбор схемы их организации и функционирования, построения программно го комплекса. Все большее место сегодня занимают территориально распределенные ИАС, под которыми будем понимать системы, позволяющие организациям, имеющим удаленные подразделения, не связанные локальной вычислительной сетью (ЛВС), работать в едином информационном про странстве. Важным компонентом таких систем являются средства организа ции удаленного доступа к данным (Web).
Автором обосновывается выбор варианта организации и функциониро вания прикладной системы, оптимального с точки зрения минимизации вре менных и трудовых затрат на формирование информационных ресурсов ИАС при максимизации их качества и достоверности с учетом специфики решае мых задач и имеющихся технических условий.
Выбор схемы организации и функционирования ИАС. Возможная сте пень интеграции информационного ресурса проектируемой территориально распределенной ИАС определяет схему ее организации по двум основным сце нариям: 1) распределенные синхронизируемые БД с функционированием в локальной сети Windows и 2) централизованная БД с функционированием в глобальной сети Интернет (рис. 3).
Выбор Web-варианта организации ИАС дает такие преимущества, как удаленное использование данных территориально разнесенных источ ников, оперативность сбора и использования данных (on-line режим), цело стность данных (вследствие использования единого хранилища информа ции), достоверность данных (вследствие ввода информации непосредствен ными сборщиками данных и наблюдателями), отсутствие искажений в дан ных вследствие их многократного ввода и перезаписи и экономия затрат на повторный ввод данных.
Рис. 3. Схемы организации прикладной ИАС Организация же ИАС по первому сценарию предпочтительна в случае нацеленности системы на решение задач, в которых круг показателей и функций системы на нижнем иерархическом уровне значительно шире и отличен от функционала системы на верхних уровнях управления.
Другим важным вопросом при проектировании интегрированной тер риториально-распределенной ИАС является синхронизация данных в удален ных подразделениях и защита от несанкционированного доступа. В зависи мости от выбранной схемы организации ИАС и качества каналов связи ис пользуются три основных подхода (рис. 4).
Качество Необходимость каналов редактирования связи элементов ИАС Да Нет Отсутствуют Удаленная Удаленная или низкое репликация репликация Среднее Удаленная Web-клиент репликация Высокое Web-клиент, VPN VPN Рис. 4. Схема вариантов функционирования территориально распределенных ИАС Использование удаленной репликации (передачи и синхронизации) дан ных. Обмен между удаленными локальными вычислительными сетями осу ществляется при помощи пакетов, содержащих измененные данные. Пакеты могут доставляться любым способом (электронная почта, передача физиче ского носителя данных, и т.д.).
Использование технологии VPN(virtual private network). Сети VPN ре шают задачи подключения к удаленной сети и соединения нескольких локаль ных вычислительных сетей. Для объединения удаленных ЛВС в единую сеть используются виртуальные выделенные каналы. Проблема конфиденциально сти и целостности данных решается встроенными средствами шифрования.
Использование web-доступа. При этом подходе web-серверные прило жения обмениваются с клиентами данными в стандартном для Интернет фор мате HTML, что позволяет в качестве программного обеспечения для доступа к ИАС использовать любой Интернет-браузер. Данная технология позволяет строить как открытые, так и закрытые ИАС при использовании протокола SSL (secure socket layer), обеспечивающего защиту данных между сервисны ми и транспортными протоколами.
Эти подходы не являются взаимоисключающими, напротив, дополняя друг друга, они позволяют строить информационные системы при различных конфигурациях и качестве каналов связи.
В разделе 3.4 автором предлагается методико-технологическая схема процесса проектирования и разработки прикладной ИАС (рис. 5), базирую щаяся на вышеизложенном методическом подходе к определению состава и типа основных технологических компонентов ИАС и их реализации (разд.
3.2);
выбору варианта организации и функционирования прикладных систем (разд. 3.3), подходе к проектированию (разд. 2.2).
Схема иллюстрирует последовательность основных этапов проекти рования и разработки прикладной информационной системы, включая формализацию задачи мониторинга, определение схемы ее организации и функционирования;
состава и типа (встроенный, внешний) ее технологиче ских компонентов (СУБД, ГИС, СОД, СППР);
построение комплекса моде лей системы с параллельной реализацией базы данных и рабочих мест;
оценка качества результатов решения задачи мониторинга с уточнением постановки задачи, корректировкой моделей системы и дополнением ее аналитической составляющей.
Для разработки системы в соответствии с моделью процесса мониторинга для различных уровней обобщения выделяются объекты, определяются и клас сифицируются параметрические (мониторинговые) свойства, и строится объект ная модель ИАС, воплощенная в логической (таблицы и связи БД) и физической (реализуется средствами промышленной СУБД) моделях базы данных.
Рис. 5. Методико-технологическая схема проектирования и разработки ИАС Для каждого из мониторинговых показателей определяется периодич ность фиксации изменения его состояния. Особенностью хранения данных по этим показателям является наличие поля в соответствующих таблицах БД, содержащего фиксацию времени обновления сведений. Отслеживание изме нений свойств, определяемых внешними факторами, являющихся следствием изменения административной, имущественной или другой принадлежности объектов наблюдения, т.е. отслеживание истории объектов в БД, времени и источника, произведшего изменения, может быть реализовано как с помо щью встроенных в используемую СУБД средств аудита данных, либо при помощи специально созданных дополнительных механизмов аудита.
Этап проектирования (построения объектной, функциональной и ди намической моделей) системы совмещается с реализацией базы данных и ра бочих мест ИАС, что определяет комплексный методико-технологический подход, основанный на совмещении инструментальной среды проектирова ния со средой разработки. Создание клиентских мест становится процессом их конструирования из настраиваемых программных компонентов. Хранение описания этих компонентов на сервере БД вместе с пользовательскими дан ными позволит по описаниям компонентов строить пользовательский интер фейс, т.е. получить универсальный клиент для доступа ко множеству при кладных ИАС, основанных на этой технологии. Далее, создав для компонен тов ИАС визуальные редакторы для настройки мы получаем возможность вести процесс разработки без использования программирования, тем самым будет достигнут эффект получения возможности моделировать клиентcкие места системы, одновременно получая ее готовую реализацию.
Таким образом, предложенный методико-технологический подход, ос нованный на совмещении этапов построения функциональной и динамиче ской моделей системы с разработкой клиентской части ее программно технологического комплекса, требует создания унифицированной инстру ментальной среды проектирования и разработки ИАС и определяет ее основ ные характеристики.
Из вышеизложенного следует второе защищаемое положение:
Предложенная методика проектирования и разработки информационно аналитических систем мониторинга недропользования, включающая выбор схем организации и функционирования, определение состава и типа технологи ческих компонентов, конструирование клиентских мест без использования про граммирования, обеспечивает выбор оптимальной структуры прикладных сис тем и определяет технологию их унифицированной разработки с учетом спе цифики решаемых задач.
Глава 4. Технология создания прикладных интегрированных тер риториально-распределенных ИАС мониторинга недропользования на основе разработанной инструментальной технологической платформы Глава посвящена описанию технологии разработки программного комплекса прикладной мониторинговой ИАС на основе создания инструмен тальной технологической платформы – модульного программного комплек са, позволяющего оперативно конструировать прикладные распределенные системы с применением СУБД, ГИС- и Web-технологий. Описаны про граммные компоненты и технология функционирования разработанной тех нологической платформы «ИАС-конструктор».
В разделе 4.1 определяется понятие технологической платформы, основные требования к ней при реализации ИАС в сфере управления недропользованием.
Технологические платформы представляют собой программный комплекс, уни фицирующий процесс разработки информационных систем для разных информа ционных сред (различные версии операционных систем, Интернет) и включаю щий в себя средства для ускорения процесса разработки прикладных систем.
Общими тенденциями создания технологических платформ является создание настольных и web-приложений, использование различных промыш ленных серверов баз данных, наличие средств для визуального проектирова ния рабочих мест и расширения функциональности или взаимодействия с дру гими приложениями. Наблюдается определенный «перекос» одних платформ в ориентации на работу с СУБД, а других на реализацию ГИС-функций.
Вследствие этого целесообразным явилось комплексное решение, объеди няющее эти два подхода, т.е. создание технологической платформы, обла дающей преимуществами как БД-ориентированных, так и ГИС ориентированных технологических платформ.
Для создания технологической платформы проектирования и разра ботки территориально-распределенных ИАС мониторинга недропользования основополагающими определяются следующие требования:
минимизация издержек, связанных с изменениями требований к систе ме, что достигается базированием инструментальной среды на библиотеке программных компонентов, доступных для повторного использования, с возможностью настройки свойств этих компонентов в визуальных редакто рах и построения пользовательского интерфейса ИАС без применения про граммирования;
реализация инструментальных средств, выполняющих базовые ГИС функции;
обеспечение функционирования рабочих мест ИАС как в виде Windows приложений, так и в виде Web-приложений;
открытость программных интерфейсов для взаимодействия с внешними приложениями (включая ГИС) и возможность расширения функциональности ИАС за счет подключения внешних аналитических модулей расширения;
наличие средств преобразования и конвертации данных из различных ин формационных источников.
Требования положены в основу разработанной технологической плат формы «ИАС-конструктор». В разделе 4.2 дано описание ее программных ком понентов (блоков), и технологии унифицированного построения рабочих мест ИАС на ее основе.
Технологическая платформа «ИАС-конструктор» представляет собой модульный программный продукт, позволяющий оперативно конструировать прикладные распределенные системы на основе СУБД, ГИС- и Web технологий. Включает в себя следующие блоки:
ИАС-клиент – визуальную среду разработки клиентской части инфор мационно-аналитических систем путем добавления и настройки готовых про граммных компонентов;
ИАС-конвертор – программно-технологические средства конвертации данных из различных источников и перекодировки классификаторов, обеспе чивающие начальную загрузку ретроспективных данных, преобразование час ти существующей информации в соответствии с указанными правилами, рег ламентное пополнение хранилища данными из различных источников;
ГИС-конструктор – средства настройки на базу данных и картоснову конкретной ИАС, реализованные для различных коммерческих ГИС оболочек, а также набор технологических и интерфейсных средств, обеспе чивающих: динамическое взаимодействие с БД, упрощенный доступ к стан дартному набору функций пространственного анализа и стилевого оформле ния информации в ГИС;
ИАС Web-сервер – сервер приложений для публикации информационной системы в Интернет, реализованный в виде службы Windows, для создания рас пределенных приложений, работающих по технологии «тонкий клиент»;
Web ГИС-вьюер – интернет-ГИС вьюер, реализующий преобразование векторных данных, в т.ч. полученных по SQL-запросу из БД, для отображения и идентификации картографической информации в распределенном приложе нии, реализованный на основе ИАС Web-сервера;
СППР «Эксперт» – программно-технологический комплекс СППР для анализа слабоструктурированных задач, их формализации, задания, анализа и согласования экспертных суждений, генерации возможных альтернатив, их оценки и выбора приоритетного решения по субъективным и объективным данным, оценки чувствительности результата к изменению входных данных и экспертных предпочтений.
Программный комплекс ИАС, реализуемый средствами платформы, со стоит из следующих основных частей (рис. 6): базы данных под управлением промышленной СУБД;
клиентских мест пользователя БД, реализующих дос туп к информационным ресурсам в локальной сети, либо в сети Интернет;
сер вера приложений для публикации ИАС в Интернет;
подсистемы отображения пространственной информации, включающей рабочее место внешней ГИС в рамках выбранной промышленной оболочки (ArcView, ArcGIS, MapInfo и т.д.), и встроенное клиентское место пользователя ГИС, функционирующее на основе Web ГИС-вьюера;
приложения для конвертации данных;
приложения системы поддержки принятия решений (СППР «Эксперт»). Использование универсального механизма доступа к данным обеспечивает возможность рабо ты платформы с различными СУБД.
Основанная на использова нии платформы технология раз работки и функционирования ИАС базируется на следующем подходе: интерфейс клиентского места генерируется программным обеспечением технологической платформы по описаниям, храня щимся в базе данных, и представ ляющим собой иерархии настраи ваемых элементов ИАС.
Рис. 6. Архитектура программного комплекса ИАС К таким элементам относятся форма и web-форма, запрос, диаграмма, анализатор временных последовательностей, хранимая процедура, отчет, до кумент, ссылка, web-ссылка, модуль расширения, геосцена, внешний эле мент. Описания элементов ИАС редактируются в инструментальной среде конструирования, причем во время редактирования пользователь видит экран ные формы интерфейса клиентского места в том же виде, в котором они будут показываться в приложении (визуальное редактирование форм). Этот процесс не требует программирования.
Таким образом, среда конструирования ИАС является универсальным клиентским приложением для доступа к любой ИАС, созданной средствами технологической платформы, в операционной системе Windows.
Для доступа к ИАС из сети Интернет в состав технологической плат формы входит сервер приложений – Web-сервер. По описаниям элементов ИАС, созданным в среде конструирования, сервер формирует web-страницы.
В качестве клиентского приложения может выступать любой браузер Интер нет. Для отображения пространственных данных в Интернет реализована подсистема Web ГИС-вьюер. При проектировании этой подсистемы стави лась задача поддержки как можно большего числа браузеров и реализации технологии «тонкий клиент», при которой на локальное рабочее место не устанавливается дополнительное программное обеспечение. Выходная ин формация предоставляется стандартным для Интернет образом, то есть включает в себя только HTML и растровые изображения. Для организации динамического интерфейса рабочего места используется язык сценариев JavaScript, поддерживаемый всеми современными браузерами.
Технологическая платформа полностью поддерживает стандарт COM (Component Object Model), предназначенный для создания программного обеспечения на основе взаимодействующих компонентов, каждый из кото рых может использоваться во многих программах одновременно, и исполь зуемый для обеспечения взаимодействия с другими приложениями, в том числе ГИС-системами. Система может выступать как сервер автоматизации, встраиваясь во внешнее приложение, поддерживающее технологию COM.
Также имеется возможность расширения функциональных возможностей системы за счет подключения к ней внешних модулей.
Для защиты от несанкционированного доступа к информации техноло гическая платформа поддерживает функции разграничения доступа, как на уровне пользователей системы, так и на уровне групп пользователей.
В разделе 4.3. описана технология разработки клиентских мест в инстру ментальной среде технологической платформы «ИАС-конструктор» с реализаци ей построения функциональной и динамической моделей фрагментов системы.
Для рассмотренной ранее обобщенной модели и структуры данных ИАС ГМСН ПВ приводится пример проектирования и создания фрагментов клиентских мест.
В разделе 4.4 описана реализация ГИС-блоков технологической платфор мы, обеспечивающих разработку встроенной и внешней ГИС-компоненты ИАС.
Рабочее место ГИС, реализованное по принципу встроенного ГИС клиента, предназначается для работы «неспециалиста» в области ГИС и ори ентируется на обеспечение основных справочно-информационных и презен тационных функций. Основными технологическими компонентами, которые реализуют встроенный ГИС-клиент прикладной ИАС, являются компоненты для представления картографической информации, средства загрузки и управления картографическими данными, средства взаимодействия между клиентом БД и ГИС-клиентом, процедуры для оценки пространственных взаимоотношений объектов, средства настройки рабочего места. Организа ция пользовательского интерфейса встроенного ГИС-клиента одинакова для «настольных» и Web-приложений.
Рабочее место ГИС на базе внешнего ГИС-приложения используется, когда помимо информационной составляющей в рамках проекта предполага ется значительный объем работ с картографической информацией, когда есть потребность в печати сложных картографических материалов, когда у заказ чика есть техническая база и квалифицированный персонал для самостоя тельной работы. В этом случае задачи картографического представления, пространственного анализа, оформления карт и других отчетных материалов решаются с помощью базовых функций выбранной ГИС-оболочки. Средства ГИС-конструктора обеспечивают динамическое взаимодействие между базой данных и ГИС в части передачи массивов данных и параметров для выпол нения визуализации, поиска и запросов и интерфейсные средства для на стройки и управления этими процессами. Для основных используемых в от расли ГИС (ArcView, ArcGIS, MapInfo) разработаны унифицированные мо дули-приложения, содержащие процедуры и интерфейсы.
В разделе 4.5 приведено описание компонента технологической плат формы – Конвертора данных, предназначенного для перегрузки информа ции из локальных баз данных и других информационных источников в цен тральную базу (хранилище данных). Конвертор обеспечивает анализ и пре образование данных, задание соответствия и обобщение классификаций, перегрузку ретроспективных данных, регламентное пополнение данными из распределенных источников, обновление и преобразование части суще ствующей информации в соответствии с данными из источников и указан ными правилами, а также закачки информации из удаленных источников при реализации схемы удаленной репликации данных. Конвертор не зави сит от конкретных СУБД и структуры как источников, так и центрального хранилища.
В разделе 4.6 описаны средства аналитической обработки и анализа данных, встроенные в платформу, а также приведены примеры специализиро ванных программ для расчета производных мониторинговых показателей, оценки текущего состояния, прогноза и моделирования с использованием ме тодов тренд-анализа, алгоритмов кластерного, корреляционного и регрессион ного анализа, подключаемые к прикладным ИАС в виде внешних приложений.
Для анализа данных технологическая платформа включает компоненты:
диаграмма и анализатор временных последовательностей. Диаграммы строятся на основе запросов или хранимых процедур, представляют собой набор не скольких линейных, столбчатых или круговых серий, содержат средства на стройки входных параметров или фильтры. Анализатор временных последова тельностей позволяет проводить анализ нескольких линейных серий, представ ляющих собой временные ряды. Анализатор включает в себя статистические функции, позволяет интерполировать данные, строить пороги отсечения и про водить поиск пересечений. Кроме того, имеется инструмент для отображения значений измерений в любой момент времени.
Встроенный в среду программно-технологический комплекс поддержки принятия решений СППР «Эксперт» используется как инструмент получения сравнительной оценки состояния объектов мониторинга на результирующем этапе принятия управленческих решений, генерации и сравнения возможных альтернатив с последующим выбором приоритетного решения, анализа качества результатов решения задач мониторинга.
Таким образом, основанная на инструментальной платформе технология проектирования и разработки интегрированных территориально распределен ных ИАС мониторинга недропользования обеспечивает уменьшение сроков разработки, универсальность, легкую модифицируемость и надежность разра батываемых прикладных ИАС. Эти достоинства технологии определяются следующими преимуществами технологической платформы:
полностью визуальный подход к разработке рабочих мест, не требую щий написания программного кода и унифицированное создание рабочих мест ИАС в виде Windows- и Web-приложений позволяет ускорить и удешевить разработку информационных систем, обеспечить надежность и модифицируе мость за счет использования готовых программных компонентов;
встроенные средства для работы с пространственной информацией и сторонними ГИС позволяют легко включать ГИС-функции в прикладные информационно-аналитические системы и снизить требования к квалифи кации пользователей;
взаимодействие с внешними приложениями и создание расширений обеспечивает возможность наращивания функциональных возможностей;
встроенные средства для загрузки и преобразования данных обес печивают интеграцию разобщенных источников данных для обеспечения преемственности систем и баз данных.
Отсюда вытекает третье защищаемое положение:
Технология проектирования и разработки прикладных территориально распределенных информационно-аналитических систем мониторинга недро пользования, базирующаяся на инструментальной технологической платфор ме конструирования ИАС, обеспечивает универсальность (функционирование в локальной сети Windows и глобальной сети Интернет), снижение трудоза трат на создание клиентских мест и их легкую модифицируемость, повыша ет скорость разработки и надежность работы прикладных систем.
Глава 5. Результаты апробации и внедрения разработанных методико технологических решений Глава содержит описание примеров результатов апробации и внедрения разработанных методико-технологических решений – прикладных территори ально-распределенных ИАС, разработанных в сфере мониторинга недрополь зования, и функционирующих в органах управления недропользованием и геологических организациях отрасли, включая следующие.
Раздел 5.1. Автоматизированная система лицензирования недропользования.
Для повышения эффективности планирования и управления процессом лицензирования пользования недрами необходимо обеспечить информационно аналитическую поддержку решения таких задач мониторинга лицензирования недропользования, как планирование лицензионной деятельности, формирова ние и ведение реестров лицензий, оценка текущего состояния распределенного фонда недр и его изменения, контроль движения лицензий и выполнения лицен зионных соглашений. Эти задачи решаются в условиях наличия больших объе мов разнородных данных;
значительной доли пространственно привязанной и территориально распределенной информации;
динамики лицензионных мате риалов, регулярного сбора отчетных форм о выполнении недропользователями условий лицензионных соглашений.
Для информационно-аналитической поддержки мониторинга состояния распределенного фонда недр создана многопользовательская территориально распределенная информационно-аналитическая Автоматизированная система лицензирования недропользования (АСЛН), содержащая элементы централи зованной и распределенной организации и функционирующая как в локальной сети, так и в глобальной сети Интернет. Основные подсистемы АСЛН форми руются по тематическому принципу для ведения информации по лицензирова нию прав недропользователей с целью геологического изучения, разведки и добычи твердых полезных ископаемых (ТПИ), углеводородного сырья (УВС), подземных вод (ПВ) и функционируют в качестве распределенных баз данных в профильных отраслевых научно-исследовательских институтах Роснедра.
Основу развития АСЛН составляет технология эксплуатации системы территориальными органами Роснедра в удаленном режиме (через Интернет).
При этом в центральную базу данных в on-line режиме вводится недостающая информация и сканобразы документов к имеющимся в БД АСЛН лицензиям согласно текущему состоянию лицензирования в конкретных территориаль ных органах (рис. 7).
Рис. 7. Схема функционирования АСЛН Основными программно-технологическим компонентами АСЛН являются:
интегрированный банк данных по лицензиям, включающий базы данных объектов лицензирования по ТПИ, УВС, ПВ и объектов, рекомендованных к лицензированию;
программно-технологические и коммуникационные средства регламенти рованного доступа к банку данных для работы с информацией по лицензиям и конкурсным объектам как в локальной сети, так и в глобальной сети Интернет;
удаленные клиентские места ввода и корректировки данных для получе ния оперативной информации по лицензиям с территорий;
универсальные рабочие места Web-ГИС для размещения, визуализации и анализа объектов программ лицензирования и участков лицензий, мониторинга выполнения лицензионных соглашений средствами пространственного анализа.
Для работы клиентского приложения может использоваться любой стандартный Web-браузер (Firefox, Internet Explorer, Opera и д.р.), без необхо димости использования дополнительного программного обеспечения (рис. 8).
Рис. 8. Web-клиентское место ведения реестра лицензий АСЛН Рабочее место ГИС АСЛН предполагает, помимо использования в АСЛН различных геоинформационных систем (ArcView, MapInfo) в качестве внешних приложений, функционирование встроенной Web ГИС-компоненты.
Средствами встроенной ГИС реализован углубленный пространственный ана лиз лицензионной деятельности в сфере недропользования, в том числе, пере сечение контуров лицензионных участков;
анализ наличия и расположения объектов, ограничивающих режим недропользования (особо охраняемые при родные территории и пр.) в пределах лицензионных участков (рис. 9).
Рис. 9. Визуализация пересечений ООПТ с контурами лицензий АСЛН позволяет на автоматизированной основе осуществлять сопро вождение подготовки конкурсов (аукционов) и лицензирования по результа там проведения конкурсов и на бесконкурсной основе;
вести учет и монито ринг движения выданных лицензий, оперативно получать данные движения лицензий (переоформления, дополнения, прекращения, ограничения, анну лирования);
получать сводную информацию по состоянию лицензирования на текущую и заданную дату для различных объектов обобщения (недро пользователь, группа полезных ископаемых, субъект РФ, Департамент (управление) по недропользованию, Роснедра).
Раздел 5.2. Информационно-аналитическая система государственного мониторинга состояния подземных вод РФ. Мониторинг подземных вод яв ляется подсистемой Государственного мониторинга состояния недр, в его задачи входит оценка состояния подземных вод и прогноз изменения этого состояния. К началу XXI века накоплены уникальные мониторинговые дан ные, имеющие более чем столетний ряд наблюдений.
Однако существующее информационное обеспечение не могло удов летворить потребности в обобщенной информации и ее аналитической обра ботке: имеющиеся информационные источники были разобщены, техноло гии обработки и спецификации данных в большинстве своем несовместимы и, как правило, нацелены на решение узконаправленных задач, взаимный обмен данными на регулярной основе отсутствовал. Поэтому в 2002-2007 гг.
выполнено проектирование и разработка информационно-аналитической системы ведения государственного мониторинга подземных вод (ИАС ГМСН ПВ), представляющей собой унифицированную информационно технологическую основу ведения мониторинга подземных вод на различных уровнях управления. Система реализована на технологической платформе разработки ИАС и предназначена для непосредственного использования спе циалистами-гидрогеологами службы ГМСН. Системой обеспечивается:
хранение, учет и обобщение информации по объектам наблюдения (сква жина, водозабор) за состоянием подземных вод;
анализ, оценка и прогноз состояния подземных вод по объектам обобще ния (очагам загрязнения, месторождениям, водоносным горизонтам, артези анским бассейнам, субъектам РФ) под влиянием естественных природных факторов, недропользования и других видов хозяйственной деятельности;
анализ и систематизация данных о режиме и качестве подземных вод, планирование их освоения и использования на основе получения сложных многомерных показателей (например, качество подземных вод) и комплекс ных многокритериальных оценок (гидрохимическое, гидродинамическое со стояние) (рис. 10);
актуализация и обобщение данных ГМСН на региональном и федераль ном уровнях с формированием и упрощенной подготовкой в среде ГИС де журных карт и сводных картографических материалов.
Рис. 10. Автоматизация оценки и прогноза состояния по разделам режима и качества подземных вод с применением ИАС ГМСН ПВ ИАС ГМСН ПВ включает интегрированную базу данных, основанную на единой системе классификаторов, в том числе иерархического вида. Важ ным принципом построения информационной системы является преемствен ность информации существующих архивов и баз данных (обеспечение пере носа накопленной информации из имеющихся локальных баз данных) с при менением разработанных средств конвертации данных.
Раздел 5.3. Информационная система «Учет и баланс ресурсов и запасов питьевых и технических подземных вод и их использования». В настоящее время государственный учет эксплуатационных запасов подземных вод сво дится к накоплению информации, полученной после оценки эксплуатацион ных запасов и прохождения их государственной экспертизы. Действующая система учета не включает в себя учет ресурсов, добычи и использования под земных вод, ведение государственного баланса запасов подземных вод и не позволяет оценить степень освоения разведанных и оцененных запасов, их отнесение к распределенному и нераспределенному фонду недр, т.е. не обес печивает текущей оценки состояния и планирования использования ресурсной базы подземных вод.