Фізико-математичний вісник

 

Інформаційні технології представлення та аналізу системах оперативного управління






Дана робота відноситься до галузі побудови інтегрованих геоінформаційних систем оперативного управління. Такі системи називають оперативними системами спостереження, інтерактивними відеотермінальними комплексами, системами інтерактивної машинної графіки тощо. Важливим компонентом зазначених систем є людина. Саме вона взаємодіє з об'єктами, які рухаються в навколоземному просторі і спостерігаються у вигляді символів на фоні карти в реальному часі. Назвемо такі системи геоінформаційними системами оперативного управління (ГІС ОУ). Головною їх функцією є введення даних про об'єкти і місцевість, перетворення та відображення цих даних у вигляді динамічної сцени, яка представляється складними рухомими символами на картографічному фоні в реальному часі для забезпечення вирішення завдань оперативного управління.

Актуальність теми обумовлена істотним підвищенням швидкостей та кількості рухомих в навколоземному просторі об'єктів, посиленням вимог до рівня безпеки польотів і, як наслідок, збільшеною складністю процесів їх відображення, розпізнавання і взаємодії з ними у реальному часі. Завдяки розробленому академіком В.М.Глушковим практичним методам побудови складних інтегрованих систем управління на базі системного підходу, та появи нового розділу інформатики – геоінформатики, з’явились можливості вирішення поставленої перед дисертантом задачі створення ГІС ОУ. Важливе значення в цьому напрямі мали роботи вітчизняних вчених: Є.А. Башкова, В.П. Боюна, М.Ф. Бондаренка, М.І. Васюхіна, З.Д. Грицківа, Є.М. Пилипчатіна,  Е.Г. Петрова, Б.П. Русина, В.Є. Ходакова,        А.А. Чикрія, М.І. Шлезінгера та інших.

Важливий внесок у розвиток вітчизняної цифрової картографії вніс колектив Науково-дослідного інституту геодезії, картографії і кадастру.

Дослідженням в області інтерактивної машинної графіки присвячені роботи іноземних вчених: В. Гілоя, Дж. Фолі і ван Дема, Д. Роджерса, а також Джека Брезенхема і Мічнера, а в області побудови баз картографічних даних (БКД) - Ханана Самета.

Результати досліджень вказаних вище авторів створили передумови для постановки задачі, яка вирішується в дисертації, проте швидкий розвиток геоінформаційних систем реального часу і посилення вимог до швидкості введення, відображення та аналізу оперативних даних залишалися без достатньої уваги. Не були розроблені:

- алгоритмічні і програмно-апаратні методи організації динамічних сцен в реальному часі в ГІС ОУ;

- методи і засоби побудови баз даних ГІС ОУ, а також способи введення, оновлення і візуалізації даних, які містяться в них, у реальному часі;

  • моделі і методи побудови продуктивних структур баз даних ГІС ОУ.

Досить часті випадки авіакатастроф, що були спричинені недосконалістю систем управління безпекою польотів, трагічні помилки систем протиповітряної оборони загострили необхідність вирішення досліджуваної в дисертації науково-технічної задачі, суть якої полягає в розробці методів та технологічних засобів, що забезпечують представлення та аналіз повітряної обстановки в межах геоінформаційних систем оперативного управління в реальному часі.

Об'єкт дослідження – процеси вводу, зберігання, обробки, відображення та аналізу повітряної обстановки в геоінформаційних системах оперативного управління.

Предмет дослідження – методи та технологічні засоби представлення та аналізу повітряної обстановки в геоінформаційних системах оперативного управління.

Для досягнення вказаної мети потрібно було вирішити наступні взаємопов'язані задачі:

- провести аналіз та узагальнення проблеми представлення та аналізу повітряної обстановки в геоінформаційних системах реального часу;

- відшукати рішення, що забезпечують побудову методів і технологічних засобів представлення зображень складних символів об'єктів, що переміщуються в навколоземному просторі;

  • розробити алгоритми і програмно-апаратні методи, що забезпечують відображення на екрані рухомих складних символів об'єктів на фоні топографічної карти у реальному часі;

  • розробити методи і засоби, що дозволяють  побудову картографічних зрізів;

- розробити структуру системи управління потоками даних ГІС ОУ і створити прикладну програму представлення повітряної обстановки в реальному часі.

Методи дослідження. У роботі використано системний підхід В.М.Глушкова, інваріантний матричний метод, програмно-модульний метод переміщення та повороту складного символа об'єкту, метод базових матриць Васюхіна М.І., метод паралельного перенесення зображення ділянки карти для організації процедури ешелонованого скролінгу, методи інтерактивної машинної графіки, які побудовані на основі алгоритмів Брезенхема і Мічнера, комбінований програмно-апаратний метод представлення еволюцій складних просторових переміщень, метод побудови картографічних зрізів.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі вирішена важлива науково-технічна задача, суть якої полягає у відшуканні методів і технологічних засобів, що забезпечують в межах геоінформаційних систем оперативного управління: введення, обробку, відображення повітряної обстановки та її аналіз у реальному часі. В основу вирішення  цієї задачі покладено теоретично обгрунтовані методи і технологічні засоби представлення та аналізу повітряної обстановки в ГІС ОУ.

Основними науковими результатами, що виносяться на захист, є:

1. Біформатний метод лінійного переміщення складних символів, що містить алгоритм візуалізації картографічної інформації і дозволяє адекватно побудувати на екрані зорову сцену, яка представляє лінійне переміщення символу динамічного об’єкту на картографічному фоні визначеної ділянки місцевості, для картографічних даних, описаних як у растровому, так і векторному форматах.

2. Метод швидкого повороту, який побудований на базі алгоритму Брезенхема, що забезпечує виконання обчислень операцій повороту складного символу за час до 22% менший ніж час виконання тієї ж операції із застосуванням інших алгоритмів.

3. Ефективність комбінованого програмно-апаратного методу представлення еволюцій складних символів рухомих повітряних об'єктів, що зберігаються в блоці пам'яті базових символів, у вигляді набору конфігурацій забезпечено реалізацією блока базових матриць на основі програмованих інтегральних схем, що дає можливість уникнути демонтажу блоку базових символів при зміні типів об'єктів і, відповідно, їх конфігурацій, суттєво скоротити витрати часу на перенастроювання блоку пам'яті базових символів, і, в результаті, збільшити надійність роботи системи в цілому та універсальність її використання.

4. Матрично-функціональний метод розрахунку даних для відображення процесу переміщення складного символу на фоні топографічної карти, сутність якого полягає в тому, що рух символу, який представлено набором матриць базових символів, які знаходяться в блоці пам’яті базових символів, розпочинається із задання початкової точки траєкторії, потім запам’ятовується масив, що описує фон, і після цієї процедури, відтворюється зображення символу, з відповідною орієнтацією напряму його руху (згідно з запропонованим алгоритмом прискореного повороту) по ділянці цієї траєкторії. Після цього зчитуються наступні координати об’єкту, і розраховується кількість кроків до точки, що представляється цими координатами, після чого включається процедура відновлення фону у „звільненому” від символу місці, а потім здійснюється запам’ятовування наступної „порції” фону, що відповідає новому розташуванню символа.

5. Метод побудови картографічного зрізу в ГІС ОУ, в основі якого лежить прискорений алгоритм візуалізації картографічного зрізу, що дозволяє заощадити розмір пам'яті для БКД до 7 разів.

6. Структура системи управління потоками даних та прикладна програма представлення повітряної обстановки  реального часу, які дозволяють створити ефективну інформаційну  панель, що призначена для роботи з декількома динамічними об’єктами та яка містить поле просторового запиту, представленого у вигляді просторових елементів, до яких після ідентифікації об’єкта «прив’язується» символ, що орієнтується в напрямку руху по траєкторії на фоні карти.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що ці результати дозволяють створювати діючі ГІС ОУ різних конфігурацій і сфер застосування. Теоретичні результати доведені до практичного використання              та застосовані в діючих системах, у тому числі:

  • у другому та третьому етапах НДР «Розробка наукових основ побудови інтегрованих інтерактивних геоінформаційних аеронавігаційних комплексів реального часу» (№ 298-ДБ06), № держреєстрації 0106U004129, в програмі візуалізації статичних і динамічних зображень;

  • у НДР «Технологія побудови інтегрованої інтелектуальної системи захисту важливих та особливо важливих об’єктів» (М/98-2005), № держреєстрації 0105U007850, на етапі проведення досліджень при побудові інтегрованої інтелектуальної системи захисту важливих та особливо важливих об’єктів;

  • у етапах 1-5 НДР «Концепція побудови та розробка компонентів автоматизованої інтегрованої системи виявлення та попередження надзвичайних ситуацій при захисті території аеропорту та прилеглих до нього зон» (М/232-2007), № держреєстрації 0107U007588, в програмно-технічних засобах візуалізації повітряної ситуації в прилеглих зонах аеропорту;

  • в етапах 1 і 2 НТР «Моделі, методи та засоби побудови програмно-технічних систем забезпечення захисту інформаційних ресурсів від несанкціонованого доступу» (ІТ/ 554-2009), № держреєстрації 0109U005892, в розробці інформаційної панелі для роботи з деякими динамічними об’єктами.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно розроблені основні задачі дисертаційної роботи та основні положення, що виносяться на захист. У роботах, виконаних у співавторстві, здобувачеві належить: у [1] –  реалізація матрично-функціонального методу обчислення даних за допомогою алгоритму прискореної орієнтації символу; у [2,3,4] – методи представлення повітряної обстановки в задачі переслідування – втечі; у [5,6] – вимоги до побудови на екрані зорової сцени, яка представляє лінійне переміщення символу літака на картографічному фоні;               у [7,8,9] – рекомандації щодо побудови символів об′єктів, що рухаються                     в навколоземному просторі, а також форми представлення картографічних даних;       у [11,12,17] – способи представлення просторових даних та метод побудови картографічних зрізів; у [14,15,16] – методи прискореного повороту складних символів на фоні тематичних карт; у [18] – пропозиції щодо уникнення демонтажу блоку базових символів при зміні типів об′єктів; у [19] – структура системи управління потоками даних, яка підтримується прикладною програмою, що дозволяє побудувати інформаційну панель, яка забезпечує аналіз повітряної обстановки у реальному часі.  

Апробаціії результатів дисертації. Основні наукові результати дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на II Міжнародній науково-практичній конференції «Військова освіта та наука: «Сьогодення та майбутнє»                     (Київ, 12 – 13 жовтня 2006 р.), на IX науково – методичній конференції «Інформаційні технології в освіті і управлінні» (Нова Каховка, 2007 р.), на XII Міжнародній науково-технічній конференції «АВІА – 2007» (Київ, 2007 р.), на Першому Українсько-китайському форумі «Наука – виробництво» «УКФ – 2007»              (Харків, 2007 р.), на X науково – методичній конференції «Інформаційні технології    в освіті і управлінні» (Нова Каховка, 2008 р.), на XIV Міжнародному науково – технічному симпозіумі «Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища: GPS і GIS технології» (Алушта, 8 – 13 вересня 2009 р.), на III Міжнародній    науково – техничній конференції «Моделювання і комп’ютерна графіка»                      (Донецьк, 7 – 9 жовтня 2009 р.), на IV Міжнародній конференції                       «Сучасні комп’ютерні системи та мережі: Розробка та використання»                (Львів, 9 – 11 листопада 2009 р.).      

Публікації. Основні результати  дисертаційної роботи опубліковані                   у 19 наукових працях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, 5 - додатків, документів про впровадження результатів дисертаційної роботи і містить 140 сторінок основного тексту, 45 рисунків та 7 таблиць. В дисертації та авторефераті усі визначення, формули та теореми нумеруються одним наскрізним рядом цифр.


ОСНОВНИЙ ЗМІСТ


У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, сформульовано мету дослідження та завдання роботи, визначено методи дослідження, викладено наукову новизну, висвітлено практичне значення одержаних наукових результатів, наведено відомості про особистий внесок автора, апробацію роботи та публікації.

В першому розділі виявлено особливості ГІС ОУ як об’єкта проектування, показано перспективність процесу представлення і аналізу повітряної обстановки в геоінформаційних системах реального часу, побудованих з використанням GPS. Показано, що найбільш повними і точними джерелами інформації для ГІС реального часу є засоби космічного зондування. Потреба в ГІС ОУ підтверджується постійно зростаючим попитом на інформацію, що має «просторову прив'язку».

Аналізуючи характеристики вказаних систем, необхідно виділити  розвідувальні супутники “Clear” і “SIR”, а також космічну систему «Лакрос». Як показав досвід бойових дій в колишній Югославії та в зоні Перської затоки, космічна система «Лакрос» успішно застосовувалася також для вирішення завдань оперативно-тактичної розвідки. Є сенс також відмітити систему  “Tracking Analyst Integration”, яка є додатковим модулем до програмного пакету ArcView. Tracking Analyst – потужний інструмент, що дозволяє переглядати в реальному часі інформацію про рухомі в просторі об'єкти і, що дуже важливо, бачити історію розвитку процесу по відношенню до географічного оточення.

Встановлено, що доступна інформація про відомі методи побудови ГІС ОУ не дозволяє в бажаному обсязі виявити методи і технологічні засоби представлення та аналізу динамічної повітряної обстановки, перш за все, через державну таємницю, а також комерційні інтереси фірм.

В умовах масового переходу України на імпортну техніку виникає небезпека втрати національного наукового здобутку, тому в дисертації зосереджено увагу на вітчизняні розробки, які, зокрема, виконуються Інститутом кібернетики імені     В.М. Глушкова, у тому числі при безпосередній участі автора.

В результаті всебічного аналізу проблеми сформульовано мету, задачі дослідження, визначено їх межі.

В другому розділі запропонована сукупність методів і засобів представлення повітряної обстановки в геоінформаційних системах оперативного управління.

Показано, що при цьому необхідно вирішити наступні взаємопов'язані задачі:

     1. Представити карту на екрані відеотерміналу в заданому масштабі.

     2. Забезпечити приорітетне виведення на її фоні зображень рухомих символів об'єктів, що рухаються в навколоземному просторі по заданих координатах.

На першому етапі пропонується здійснити пошук електронної карти даної місцевості, представленої у векторному або растровому форматах, а потім виконати запропонований алгоритм візуалізації картографічного фону. Для здійснення візуалізації лінійного переміщення складного символу пропонується біформатний метод лінійного переміщення складних символів, що містить алгоритм візуалізації картографічної інформації і дозволяє адекватно побудувати на екрані зорову сцену, яка представляє лінійне переміщення символу динамічного об’єкту на картографічному фоні визначеної ділянки місцевості. Для картографічних даних, описаних як у растровому, так і векторному форматах встановлено, що даний метод дозволяє скоротити кількість процедур до 17,5%. Для представлення символів об'єктів з набору графічних примітивів типу «лінія» та «коло» найбільш економними виявилися алгоритми Брезенхема, які забезпечують швидкодію, достатню для підтримки режиму реального часу, тобто час побудови кадру динамічної сцени не повинен перевищувати 20 мсек.

Для організації процедури ешелонованого скролінгу запропонован метод паралельного перенесення зображення ділянки карти, головною особливістю якого є те, що перенесення кожної точки, яка складає зображення, здійснюється за одну арифметичну операцію, а не за дві і більш, як це виконується у відомих алгоритмах, що дозволяє заощадити час і обчислювальні ресурси в середньому до 2-х разів. Метод швидкого повороту, доповнений використанням алгоритму Брезенхема, дозволяє виконання операції повороту складного символу за час на 22 % менший , ніж час виконання тієї ж операції іншими відомими методами.

При зміні типів об'єктів і, відповідно, їх конфігурацій, аби уникнути демонтажу блоку базових символів, різко скоротити витрати часу на перебудову блоку пам'яті базових символів, і, у свою чергу, збільшити надійність роботи системи в цілому і універсальність її застосування, пропонується комбінований програмно-апаратний метод представлення еволюцій складних просторових переміщень для швидкого перетворення конфігурацій складних символів об'єктів в блоці пам'яті базових символів, головна особливість якого полягає в тому, що в якості елементів

пам'яті блоку базових матриць обрано бістабільні перемикачі з пам'ятю, які мають властивість зберігати свій стан пам'яті при відключенні живлячої напруги.

Для забезпечення плавності повороту, особливо в тих випадках, коли він здійснюється зі змінною швидкістю, для складних зображень розміром 50 х 50 та більш, пропонується матрично-функціональний метод. Суть цього методу полягає в тому, що рух символу, конфігурації якого представлено набором матриць базових символів, що знаходяться в блоці пам'яті базових символів, починається із завдання початкової точки траєкторії, потім запам'ятовується масив, що описує фон, і, після цієї процедури, відтворюється зображення символу, з відповідним орієнтуванням напряму його руху (згідно з алгоритмом прискореного повороту) по ділянці цієї траєкторії. Після чого зчитуються наступні координати об'єкту, і розраховується кількість кроків до точки, що представляється цими координатами. Наступна процедура: відновлення фону в «звільненому» від символу місці, після чого здійснюється запам'ятовування наступної «порції» фону, відповідної новому місцю розташування рухомого символу. Потім, залежно від напряму і величини приросту координат, обирається необхідне зображення з матриці, в якій азимутальний кут повороту символу найбільш близький до напряму ділянки траєкторії, який і визначає спосіб зчитування даних в цій матриці.

Третій розділ висвітлює методи та засоби побудови баз даних ГІС ОУ.

Показана специфіка організації процесу зберігання і представлення на екрані графічної інформації. Розглянуті принципи представлення звичайних графічних зображень і, відповідно, структури баз даних для таких представлень. Виділено позиційне, структурне та комбіноване представлення зображень.

На етапі фізичного проектування проводиться вибір раціональних структур зберігання графічних даних і методів доступу до них. Враховуються визначені в концептуальній моделі зв'язки між информаційними об'єктами, приводяться шляхи ефективної реалізації запитів та раціональне використання зовнішньої пам'яті. Показано, що для вирішення ряду прикладних задач часто потрібні додаткові дані, причому інформація може пов'язуватися з будь-яким вільним компонентом зображення: примітивом, базисним елементом, об'єктом або цілим зображенням. Основними способами здійснення цього зв'язку є зберігання непозиційних даних разом з позиційними в одних записах, але може бути і їх окреме зберігання за допомогою вказівників.

Представимо множину об'єктів, виділених у складі зображення повітряної обстановки з точки зору інформаційного вмісту, характеру обробки та візуалізації:

,

де - i-й об'єкт; I множина індексів об'єктів.

При цьому кожен елемент множини описується у вигляді деякого кортежу:

;   

де dn-й елемент кортежу, значення якого описує i-й екземпляр множини об'єктів;

    – ім'я атрибуту, що відповідає n-му елементу кортежу; — область значень атрибуту з ім'ям А.

Набори екземплярів об'єктів, що мають подібні загальні характеристики, представимо класами об'єктів:


 m : At () = At ()

де At () набір атрибутів, що відповідають h-му екземпляру об'єкту.

Кожен клас об'єктів іменується так, щоб імена не містили невизначених і несуттєвих значень та були унікальні.

З позиції системного підходу зображення цифрових моделей місцевості представляє сукупність множини даних, різних за своєю фізичною природою та функціональним значенням. Відповідно до цього можна записати

: E        Тур

де Тур — множина типів даних, — сюр′єктивне відображення.

Тоді, для статичної картографічної інформації, яку використовують для визначення місцеположення об'єкту, що постійно змінюється, в базі графічних даних  можна виділити три категорії даних:

Typ = {typh ‌‌‌| h= },

де typ1 — дані, що характеризують семантичний зміст картографічних інформаційних моделей і критерії відбору даних тематичного типу при генералізації (масштабуванні) карти; typ2 — графічні дані, які створюють мову відображеної картографічної моделі, що за допомогою умовних знаків, мови живопису, природної мови та інших складників, здійснює передачу в процесі сприйняття зображення деякої сукупності абстрактних і узагальнених понять; typ3 просторові дані, що відображують геометричну структуру об'єктів картографічного зображення. Виходячи із відміченого вище, можна записати:

Е={ТО, GO, РО};

,

де ТО, GO, РО — відповідно набори класів тематичних, графічних і просторових об'єктів.

При цьому кожен суміжний клас розбиття Е визначається своєю групою атрибутів, які не перетинаються між собою:

де i-e ім'я множини тематичних атрибутів AtT; j-e ім'я множини графічних атрибутів ; к-e ім'я множини просторових атрибутів;     I, J, К — відповідно множини індексів тематичних, графічних та просторових атрибутів.

Введемо поняття підмоделі даних на прикладі картографічної бази даних, призначеної для виведення карти ділянки місцевості в заданому масштабі.

Припустимо, ТО – набір класів тематичних об'єктів, які виділяються на картографічному зображенні адміністратором картографічної бази даних. При цьому мається на увазі, що  структура взаємозв'язків між елементами має ієрархічну природу, а під картографічною генералізацією будемо розуміти зміни інформаційного навантаження карти при збільшенні або зменшенні масштабу.

Значення рангів тематичних об'єктів та їх атрибутів можна розглядати як критерії відбору картографічних даних при масштабуванні. Причому перший ранг може об'єднувати множину об'єктів, що виводяться при найдрібнішому масштабі; другий ранг — множину додаткових об'єктів для більш великого масштабу тощо. Тоді тематична модель картографічних даних представляється  таким чином:

, , , , , , , ,

де ТО — множина класів тематичних об'єктів; — семантичний зв'язок узагальнення; — зв'язок відбору, що визначає модель відбору тематичних об'єктів при картографічному масштабуванні; — множина тематичних атрибутів; HzT0набори значень інтегральних характеристик класів тематичних об'єктів; HzTA — набори значень інтегральних характеристик тематичних атрибутів; ,  — відображення, що визначають відповідно взаємозв'язок між класами тематичних об'єктів, їх атрибутами і конкретними наборами інтегральних характеристик;  — відображення, що визначають характеристики зв'язків.

Це дає підстави стверджувати, що в якості інтегральних характеристик класів тематичних об'єктів можуть бути: рівень узагальнення, значення рангу, кількість екземплярів об'єктів в класі.

Зображення картографічної проекції представляється за допомогою картографічних умовних знаків (КУЗ), які визначають об'єкти, побудовані шляхом комбінації образотворчих засобів графіки: точок, ліній, кола або їх частин, тобто дуг, шрифтів, кольорів, фонових (текстурних) позначень, в сукупності створюючих напівтонові зображення. Відмітимо, що вся сукупність КУЗ підрозділяється на позамасштабні, лінійні, площадкові та текстові.

Формально КУЗ можна представити в наступному вигляді:

KYZ= <РС, F, Т>

де РС змістовне значення знаку; F – графічна форма вираження змістовного значення; Т — деякий фіксований момент часу.

Графічна модель картографічних даних набирає наступного вигляду:

де KYZP — множина позамасштабних графічних об'єктів; KYZL множина лінійних графічних об'єктів; KYZS — множина площадкових графічних об'єктів; KYZTx — множина графічних об'єктів типу «напис» (текст); AtG множина графічних атрибутів; Hz, HzGA — набори інтегральних характеристик відповідно класів графічних об'єктів та їх атрибутів; — відображення, які визначають взаємозв'язки між класами графічних об'єктів, їх атрибутами і конкретними наборами інтегральних характеристик.

Тоді просторову модель можна  представити в наступному вигляді:

,

де POZ — просторові об'єкти типу «зона»; — точкові просторові об'єкти; — лінійні просторові об'єкти; — площадкові просторові об'єкти;   — просторові об'єкти типу «основні вершини»; — просторові об'єкти типу «дуги»; — набір просторових атрибутів; — набори інтегральних характеристик відповідно класів просторових об'єктів та їх атрибутів; — відображення, які визначають відповідно взаємозв'язок між класами просторових об'єктів, їх атрибутами та конкретними наборами інтегральних характеристик.

Розглянемо тепер взаємозв'язки між елементами тематичної, графічної та просторової моделей даних, які можна віднести до картографічних. Визначення зв'язків між тематичними і просторовими даними дозволяє: по-перше, здійснити сувору прив’язку всіх тематичних об'єктів до світової системи координат, по-друге, описати масштабні зв'язки між ТО і РО, здійснювати логічне масштабування автоматично, по-третє, за допомогою цих зв'язків узагальнити тематичні об'єкти по зонах, що підвищує швидкість вибірки графічних даних при побудові картографічного зображення, складеного із зон. Таким чином, модель картографічних даних, як типовий приклад представлення складних структурованих графічних зображень, може бути представлена у вигляді:

де  — характеристики моделі бази БКД, що включає тип використовуваної проекції, тип карти, масштаби і т. п.; Lcсукупність картографічних зв'язків між тематичними, просторовими та графічними даними; AtLатрибути картографічних зв'язків; набори інтегральних характеристик відповідно картографічних зв'язків та їх атрибутів; відображення, яке задає характеристики моделі; відображення, які визначають відповідно взаємозв'язки між картографічними зв'язками, їх атрибутами та конкретними наборами інтегральних характеристик; відображення, яке визначає співвідношення між класами об'єктів, що залучають в картографічні зв'язки.

Як правило, виведення на екран електронної карти, що представляє сукупність шарів, триває секунди або десятки секунд й більше. Незадовільно виглядає повільний скролінг, коли зрушується карта, а потім в області, що звільнилася, повільно створюється чергова частина зображення, а низька швидкість виведення на екран картографічної інформації створює серйозні часові затримки, і режим реального часу може бути не забезпечено. Встановлено, що багато ГІС ОУ можуть виконувати свої завдання, оперуючи з неповним комплектом картографічних елементів і «задовольнятись» лише частиною картографічних даних, яку ми запропонували називати картографічним зрізом. Тому, пропонується метод побудови картографічних зрізів, який реалізовано оригінальним алгоритмом, що дає суттєве зменшення обчислювальних ресурсів і часу до 7 разів.

В четвертому розділі запропоновані структура системи управління потоками даних і прикладна програма, яка побудована на основі об'єктно-орієнтованого підходу і яка включає базову систему обробки картографічної інформації та даних про динамічні об'єкти, що забезпечують відображення оперативної повітряної обстановки в реальному часі. В якості екранного тіла зручно використовувати систему представлення, яка містить екран відеопроекційного типу.

До переваг таких систем слід віднести значний розмір екрану (діагональ 2,5 метра), високу роздільну здатність – близько 4 млн. адресованих кольорових точок, високу яскравість – до 300 Кд/м2, багату палітру напівтонів – 256 по кожному основному кольору – R, G, B. Відмітимо, що на відміну від екранів прямого бачення, злітно – посадкова смуга  містить відбивний екран, що дозволяє усунути шкідливу дію на зоровий канал оператора. До недоліків системи слід віднести значну втрату контрасту і яскравості при підсвічуванні сонячними променями, а також жорсткі вимоги до рівня вібрацій в приміщенні.

Доведено, що для відносно простих зображень вигідно використовувати векторний вигляд картографічних даних, що приводить до значного зменшення фізичного обсягу баз даних і надає додаткові можливості використання одного набору даних при представленні карт різного масштабу з різним ступенем генералізації, а також можливості використання картографічних зображень, що представлені в растровому вигляді.

        Запропонован графічний інтерфейс ГІС ОУ, у якому представлення інформації про динамічні об'єкти (ДО) здійснено в мікрорастрі  розміром до 32х32 пікселя і кількістю напівтонів картографічного фону до 256. При використанні растрових даних зростає час передачі і, відповідно, час виконання запитів. Для зменшення часу виконання запитів нами пропонується структура представлення даних на основі змінного рівня деталізації зображення. Дослідження показали, що до 80% всіх картографічних даних можуть бути розміщені на локальних зовнішніх пристроях пам’яті автоматизованих робочих станцій оператора, і тоді основні витрати часу на виконання запитів визначаються лише запитами до даних про ДО.

Запропонована структура системи управління потоками даних дозволяє обробляти як растрові, так і векторні дані зазначеної ділянки місцевості, що представлені у вигляді шарів картографічної інформації, а також дані про ДО, які відображаються на екрані в режимі реального часу. При цьому, спочатку інформація про картографічний фон передається на термінал користувача, а надалі формується потік обміну даними так, щоб він представляв обмін, в основному, динамічно змінними характеристиками ДО. У конкретному випадку необхідна інформація включає ідентифікатор об'єкту - декілька байт, його поточні координати - три параметри по чотири байти на кожен параметр, тобто до 15 байт на кожен ДО. При використанні растрового зображення ДО, обсяг переданої інформації складає 1500 байт графічної інформації без стискування. Ця величина представляє максимальний розмір одиниці переданої інформації (параметр MTU) для Ethernet (від 128 до 1500 байт). Додаткове заощадження часу є і тоді, коли один графічний символ ДО передається по мережі в одному пакеті.

Досліди показали можливість побудови трьох варіантів структури систем управління потоками даних в ГІС ОУ при оновленні інформації про ДО:

1) «асинхронне» – коли оновлення інформації про об'єкт здійснюється за ініціативою клієнтської програми на терміналі споживача і залежить лише від часу появи ДО в системі;

2) «синхронне ініціативне» – коли оновлення інформації про всі ДО на терміналі споживача виконується по запиту клієнтської програми;

3) «синхронне примусове» – коли оновлення  інформації про всіх ДО на терміналі споживача виконується за ініціативою програми – сервера.

З експериментів виходить, що оператор обробляє ДО без помилок з вірогідністю 0,9, коли кількість ДО під його контролем не перевищує 8. Критичні умови настають тоді, коли кількість ДО досягає 12 і більш. Тому умови функціонування системи в режимі реального часу повинні враховувати психофізіологічні можливості оператора та швидкість оновлення інформації на екранах ГІС ОУ, тобто час побудови кадру зображення не повинен перевищувати  20 мсек (частота оновлення кадру зображення 50 Гц). Такі вимоги зручно виконувати в разі використання об'єктно-орієнтованого підходу, що дозволяє зменшити час побудови програмного продукту ГІС ОУ за рахунок використання його властивостей – наслідування, інкапсуляції, поліморфізму.

Пропонована прикладна програма включає наступні компоненти:

-    базову мережеву систему обробки картографічної інформації;

-  графічні елементи призначеного для користувача інтерфейсу з графічним редактором для представлення картографічних даних і даних про ДО;

- середовище тестування, що емулює роботу генератора ДО та їх характеристик;

      -   програму відображення оперативної обстановки в реальному часі, побудовану на основі об'єктно-орієнтованого підходу.

З метою зменшення обсягу пам'яті, необхідного для функціонування програми, основні компоненти програмного забезпечення ГІС ОУ реалізовані у вигляді динамічно завантажуваних модулів. Базова мережева система обробки картографічної інформації може бути зручно побудована в середовищі локальної мережі Ethernet, а обмін картографічними даними з терміналами може здійснюватися за ініційованими запитами, як з боку серверів (ЦКМ і Головного сервера), так і з боку споживачів.


ВИСНОВКИ


Виходячи з аналізу проблемної ситуації, мета даної дисертаційної роботи направлена на вирішення важливої науково-технічної проблеми підвищення ефективності управління рухомими об'єктами в навколоземному просторі. Головним науковим результатом роботи є створення нових оригінальних та ефективних методів і технологічних засобів представлення та аналізу повітряної обстановки в геоінформаційних системах оперативного управління.  

До основних наукових результатів, що виносяться на захист, відносяться:

1. Біформатний метод лінійного переміщення складних символів, що містить алгоритм візуалізації картографічної інформації і дозволяє адекватно побудувати на екрані зорову сцену, яка представляє лінійне переміщення символу літального апарату на картографічному фоні визначеної ділянки місцевості, причому для картографічних даних, описаних у векторному форматі, цей метод дозволяє скоротити кількість процедур до 17,5%.

2. Метод швидкого повороту, який побудований на базі алгоритму Брезенхема, що забезпечує виконання обчислень операцій повороту складного символу за час до 22% менший ніж час виконання тієї ж операції із застосуванням інших алгоритмів.

3. Ефективність комбінованого програмно-апаратного методу представлення еволюцій складних символів рухомих повітряних об'єктів, що зберігаються в блоці пам'яті базових символів, у вигляді набору конфігурацій забезпечено реалізацією блока базових матриць на основі програмованих інтегральних схем, що дає можливість уникнути демонтажу блоку базових символів при зміні типів об'єктів і, відповідно, їх конфігурацій, суттєво скоротити витрати часу на перенастроювання блоку пам'яті базових символів, і, в результаті, збільшити надійність роботи системи в цілому та універсальність її використання.

4. Матрично-функціональний метод розрахунку даних для відображення процесу переміщення складного символу на фоні топографічної карти, сутність якого полягає в тому, що рух символу, який представлено набором матриць базових символів, які знаходяться в блоці пам’яті базових символів, починається із задання початкової точки траєкторії, потім запам’ятовується масив, що описує фон, і після цієї процедури, відтворюється зображення символу, з відповідною орієнтацією напряму його руху (згідно з запропонованим алгоритмом прискореного повороту) по ділянці цієї траєкторії. Після цього зчитуються наступні координати об’єкту, і розраховується кількість кроків до точки, що представляється цими координатами, після чого включається процедура відновлення фону у „звільненому” від символу місці, а потім здійснюється запам’ятовування наступної „порції” фону, що відповідає новому розташуванню символа.

5. Метод побудови картографічного зрізу в ГІС ОУ, в основі якого лежить прискорений алгоритм візуалізації картографічного зрізу, що дозволяє заощадити розмір пам'яті для БКД до 7 разів.

6. Структура системи управління потоками даних ГІС ОУ та прикладна програма представлення повітряної обстановки  реального часу, які дозволяють створити ефективну інформаційну  панель, що призначена для роботи з декількома динамічними об’єктами та яка містить поле просторового запиту, представленого у вигляді просторових елементів, до яких після ідентифікації об’єкта «прив’язується» символ, що орієнтується в напрямку руху по траєкторії на фоні карти. Це дозволяє забезпечити оператору додаткові можливості для прийняття адекватних рішень, зокрема, завантажувати зображення оточуючого простору, включати, додавати і виключати шари картографічного фону, здійснювати режими селекції, масштабування, визначити відстані і поточні координати динамічних об′єктів.


ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ


  1. Васюхін М.І. Матрично-функціональний метод обчислення даних            для відображення процесу переміщення символу на фоні карти в геоінформаційних аеронавігаційних комплексах реального часу / М.І. Васюхін, А.М. Касім,                О.І. Капштик // Зб. наук. праць Військового інституту КНУ ім. Т. Шевченка. -      Вип. 4.– К.: ВІКНУ, 2006.- С.221-228.

  2. Васюхин М.И. Методы организации динамических сцен                                 в геоинформационных комплексах оперативного управления / М.И. Васюхин,        О.И. Капштык, А.М. Касим, С.М. Креденцар // Вестник ХНТУ.- 2007.- №4.- С.72-76.

  3. Васюхин М.И. Алгоритм ускоренной ориентации сложного символа движущегося объекта для представления воздушной обстановки                                  в геоинформационных системах реального времени / М.И. Васюхин, О.И. Капштык // Вестник ХНТУ.- 2007.- №4.- С.65-71.

  4. Палагин А.В. Метод разрешающих функций в задачах преследования-убегания в интерактивных геоинфомационных комплексах оперативного взаимодействия / А.В. Палагин, М.И. Васюхин, О.И. Капштык // Вестник ХНТУ.      - 2007.- №4.- С.60-64.

  5. Васюхин М.И. Методы решения задач анализа воздушной обстановки при ее представлении в реальном времени / М.И. Васюхин, О.И. Капштык,                  С.А. Пономарев // Моделирование и компьютерная графика: материалы                              II международной научно-технической конференции, г. Донецк, 10-12 октября     2007 г.– Донецк: ДонНТУ, 2007.– С19-23.

  6. Васюхин М.И. Метод организации эшелонированного скроллинга карты на экране геоинформационного аэронавигационного комплекса реального времени        / М.И. Васюхин,  О.И. Капштык, А.М. Касим // Зб. матеріалів II міжнародної наукової конференції «Сучасні інформаційні системи. Проблеми та тенденції розвитку».– Харків: ХНУРЕ, 2007.– С.166-168.

  7. Васюхин М.И. Программно-аппаратный метод отображения сложных пространственных перемещений / М.И. Васюхин, О.И. Капштык, А.М. Касим           // Мат. VII міжнародної наукової конференції студентів та молодих учених         «Політ 2007». – К.: НАУ, 2007.– С.93.

  8. Васюхін М.І. Особливості структурно-архітектурних моделей та методів побудови баз даних ГІС реального часу / М.І. Васюхін, Б.Б. Головко, О.І. Капштик, Д.В. Гулевець // Збірник наукових праць Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка. – Вип. №8. – К.: ВІКНУ, 2007.  – С.33-37.

  9. Васюхін М.І. Метод восстановления картографического фона при организации динамической сцены для анализа воздушной обстановки в реальном времени / М.І. Васюхін, С.М. Креденцар, О.І. Капштик // Збірник наукових праць Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка. – Вип. №9. – К.: ВІКНУ, 2007. – С.24-31.

  10. Васюхин М.И. Интерактивные геоинформационные комплексы реального времени – эффективная защита от террористических угроз / М.И. Васюхин,         О.И. Капштык, Н.С. Шекера // Перший Українсько-китайський форум                      «Наука – виробництво» «УКФ-2007»: каталог анотацій за матеріалами форуму.        – Харків: ХНУРЕ, 2007.– С.36.

  11. Васюхін М.І. Методи представлення просторових даних в базах даних ГІС реального часу та шляхи зниження часу запитів / М.І. Васюхін, О.І. Капштик,       Б.Б. Головко, В.О. Сенько // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія „Проблеми моделювання та автоматизації проектування динамічних систем” (МАП-2007). Випуск: 6 (127) – Донецьк: ДонНТУ. – 2007.         – С.164-170.

  12. Капштык О.И. Метод построения картографических срезов                          в геоинформационных системах оперативного управления / Капштык О.И.                // Вестник ХНТУ.- 2008.- №1(30).- С.264-266.

  13. Васюхин М.И. Алгоритмы построения зрительных сцен в аэронавигационных геоинформационных системах реального времени                         / М.И. Васюхин, О.И. Капштык, А.М. Касим // УСиМ. – 2008. - №3(215). – С.79-84.

  14. Васюхин М.И. Метод ускоренного поворота изображений динамических объектов, представляемых в виде сложных символов на экране геоинформационного аэронавигационного комплекса реального времени                    / М.И. Васюхин, В.А. Бородин, А.М. Касим, О.И. Капштык // Матеріали                VIII міжнародної науково-технічної конференції “АВІА-2007”. – Т.1. – К.: НАУ, 2007. - С. 21.28 -21.31.

  15. Васюхин М.И. Метод генерации движущегося символа на экране системы отображения воздушной обстановки / М.И. Васюхин, О.И. Капштык, А.М. Касим    // Сборник докладов II Международного форума "Физическая ядерная безопасность – меры противодействия актам ядерного терроризма". - К.: «ЛЕКС», 2007.                 – С.215-218.

  16. Васюхин М.И. Метод ускоренного поворота сложного символа               при построении динамической зрительной сцены в аэронавигационных геоинформационных системах реального времени / М.И. Васюхин, О.И. Капштык, С.М. Креденцар // Вестник ХНТУ.- 2008.- №1(30).- С.281-287.

  17. Васюхин М.И. Методы построения тематических карт в системах представления воздушной обстановки / М.И. Васюхин, О.И. Капштык,                 С.М. Креденцар, Ю.И. Миронченко, Л.  Пюшки // Міжнародний науково-технічний журнал «Інформаційні технології та комп’ютерна інженерія».- №3(10).- Вінниця, 2007.- С.212-215.

  18. Васюхин М.И. Модифицированный программно-аппаратный метод быстрого преобразования конфигураций сложных символов объектов, движущихся в околоземном пространстве / М.И. Васюхин, В.Д. Гулевец, О.И. Капштык                // УСиМ. – 2009. – №3(221). – С.21-24.

  19. Васюхин М.И. Специфика комплексирования системы отображения оперативной информации в геоинформационной системе оперативного  управления / М.И. Васюхин, Б.Б. Головко, В.Д. Гулевец, О.И. Капштык // Зб. наук. праць Військового інституту КНУ ім. Т. Шевченка. - Вип. 16.– К.: ВІКНУ, 2008.                  - С.256-263.


АНОТАЦІЯ


Капштик О.І. Методи і технологічні засоби представлення та аналізу повітряної обстановки в геоінформаційних системах оперативного управління. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук                 за спеціальністю 05.13.06 – інформаційні технології. – Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України, Київ, 2009.

Робота представляє результати теоретичних та експериментальних досліджень, які містять моделі, методи і засоби представлення та аналізу повітряної обстановки в геоінформаційних системах оперативного управління.

Запропоновано метод лінійного переміщення складних символів, який включає алгоритм візуалізації картографічної інформації, що дозволяє адекватно побудувати на екрані системи зорову сцену повітряної обстановки; метод швидкого повороту символів, побудований на базі алгоритму Брезенхема; комбінований програмно-апаратний метод представлення еволюцій складних просторових переміщень; представлення конфігурацій складних символів об’єктів; матрично-функціональний метод розрахунку даних для відображення процесу переміщення складного символу на кольоровому картографічному фоні; метод побудови картографічного зрізу в геоінформаційних системах оперативного управління, в основі якого лежить запропонований алгоритм візуалізації картографічного зрізу, що дозволяє зекономити розмір пам'яті в базі картографічних даних.

Запропоновані моделі і методи дозволили розробити прикладну програму візуалізації повітряної обстановки, яка забезпечує функціонування в реальному часі інформаційної панелі, що підтримує роботу з декількома динамічними об'єктами.

Ключові слова: оперативне управління, повітряна обстановка, бази картографічних даних, геоінформаційні системи оперативного управління, символи рухомих об’єктів, тематичні карти.  


АННОТАЦИЯ


Капштык О.И. Методы и технологические средства представления и анализа воздушной обстановки в геоинформационных системах оперативного управления. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук         по специальности 05.13.06 - информационные технологии. - Институт кибернетики имени В.М. Глушкова НАН Украины, Киев, 2009.

Предложен метод линейного перемещения сложных символов, содержащий алгоритм визуализации картографической информации и позволяющий адекватно построить на экране зрительную сцену, представляющую воздушную обстановку; метод быстрого поворота, построенный на базе алгоритма Брезенхема; комбинированный программно-аппаратный метод представления эволюций сложных пространственных перемещений; представления конфигураций сложных символов объектов; матрично-функциональный метод расчета данных для отображения процесса перемещения сложного символа на цветном картографическом фоне; метод построения картографического среза в геоинформационных системах оперативного управления, в основе которого лежит предлагаемый алгоритм визуализации картографического среза, что позволяет сэкономить размер памяти в базе картографических данных.

Структура системы управления потоками данных ГИС ОУ и прикладная программа представления воздушной обстановки в реальном времени позволяют создать информационную  панель, предназначенную для работы с несколькими динамическими объектами, содержащую поле пространственного запроса, представленного в виде множества прямоугольников, причем текущие координаты динамических объектов определяются центром этих прямоугольников, к которому после идентификации объекта «привязывается» символ, ориентированный в направлении движения по траектории на фоне карты. Сверху на экране располагается первая кнопочная панель, позволяющая загружать изображения окрестности наблюдаемого пространства, включать, добавлять и исключать слои картографического фона, осуществлять режимы селекции, масштабирования и управления данными о динамических объектах. Снизу экрана расположена вторая кнопочная панель, показывающая относительный размер динамических объектов, их текущие координаты, тип картографических данных и поясное время для выбранного участка местности.

Предлагаемые модели и методы позволили разработать прикладную программу визуализации воздушной обстановки, которая обеспечивает функционирование в реальном времени информационной панели, котория поддерживает роботу с несколькими динамическими обьектами.

Ключевые слова: оперативное управление, воздушная обстановка, базы картографических данных, геоинформационные системы оперативного управления, символы  движущихся объектов, тематические карты.  


ABSTRACT


Kapshtyk O.I. Methods and technological facilities of presentation and analysis of air situation in geoinformation systems of operative control. – Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree on the specialty 05.13.06 – information technologies. – The Institute of Cybernetics named by V.M. Glushkov of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2009.

Work contains the results of theoretical and experimental researches, the models, the methods and the facilities of presentation and analysis of air situation in geoinformation systems of operative control.

           The method of the linear moving of complex symbols, which includes the algorithm of cartographic information visualization, that allows adequately to build the visual scene of air situation in system screen; the method of quick turn of symbols, built on the base of Brezenham’s algorithm; the combined soft-hardware method of presentation evolutions of object’s complex symbols; the presentation of configurations of objects complex symbols; the matrix-functional method of quick computation of data for the displaying of process of complex symbol moving on a background of topographical map; the method of construction of cartographic cuts, which based on algorithm of visualization of cartographic cuts, that allows to economize the size of memory in the base of cartographic information.

Keywords: operative control, air situation, bases of cartographic data, geoinformation systems of operative control, symbols of mobile objects, thematic maps.



 



Обновлен 25 мар 2016. Создан 22 мар 2016