Информационно-графическая система поддержки объектов моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.16, кандидат физико-математических наук Цыганок, Дмитрий Алексеевич

• Цыганок, Дмитрий Алексеевич
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Цыганок, Дмитрий Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1.ПРОБЛЕМА ВВОДА/ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ.

1.1 Классический подход.

1.2 Требование к системе.

1.3 Языковые средства.

1.3.1 Языки низкого уровня.

1.3.2 Языки имитационного моделирования.

1.3.3 Языки визуального программирования.

1.4 Информационные системы.

1.4.1 Геоинформационные системы (ГИС).

1.4.2 Гипертекстовые распределенные системы.

1.5 Мобильные информационно-графические системы поддержки объектов моделирования (М-ИГС).

1.6 Выводы по разделу 1.

2. МНОГОСОРТНЫЕ СИСТЕМЫ (МСС) - ФОРМАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ

2.1 Базовые положения.

2.2 Формализация.

2.3 Примеры компонент.

2.4 Связующая компонента.

2.5 М-ИГС - частный случай МСС.

2.5.1 Структура.

2.5.2 Информационная компонента.

2.5.3 Графическая компонента.

2.5.4 Моделирующая компонента.

2.5.5 Связующая компонента.

2.6 Выводы по разделу 2.

3. АРХИТЕКТУРА М-ИГС.

3.1 Контейнерная организация.

3.2 Импорт созданных алгоритмов.

3.2.1 Импорт динамических библиотек (DLL).

3.2.2 Импорт исполняемых файлов DOS пакетного режима.

3.2.3 Импорт интерактивных DOS программ.

3.2.4 Импорт из исходных текстов.

3.2.5 Реализация формальных операций.

3.3 Выводы по разделу 3.

4. СХЕМА РЕАЛИЗАЦИИ КОМПОНЕНТ.

4.1 Выбор парадигмы программирования.

4.2 Выбор языка программирования.

4.2.1 Иерархия наследования классов системы.

4.3 Реализация графической компоненты в рамках ООП.

4.3.1 Базовые компоненты.

4.3.2 Задний план сцены действия.

4.3.2.1 Реализация виртуального буфера кадров.

4.3.2.2 Реализация абстрактной поверхности для рисования.

4.3.2.3 Реализация многомасштабного отображения.

4.3.3 Послойная группировка графических объектов.

4.3.4 Точечный объект.

4.3.5 Пиктограмма с выносом.

4.3.6 Вектор.

4.3.7 Линия.

4.3.8 Область.

4.3.9 Поддержка мировой системы координат.

4.4 Реализация информационной компоненты в рамках ООП.

4.5 Реализация связующей компоненты в рамках ООП.

4.5.1 Синтаксис внутреннего языка.

4.5.2 Типы данных языка и их преобразования.

4.5.3 Реализация видимости свойств и методов классов.

4.5.4 Функциональные особенности языка.

4.5.5 Расширение функциональности классов.

4.6 Реализация моделирующей компоненты в рамках ООП.

4.6.1 Таймер.

4.6.2 Процесс ИГС.

4.6.3 Интерпретатор файлов.

4.6.4 Интерпретатор макросов.

4.6.5 OLE и DDE контейнеры.

4.7 Выводы по разделу 4.

5. ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ М-ИГС ГЕРА. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ.

5.1 Программные и аппаратные требования. Назначение.

5.2 Работа в инструментальной среде.

5.3 Понятие проекта.

5.4 Ввод графических данных.

5.5 Привязка и получение содержательной информации.

5.6 Описание моделируемого объекта.

5.6.2 Статическое описание.

5.6.3 Динамическое описание.

5.7 Реализация М-ИГС для экологического мониторинга водоема.

5.7.1 Проблема моделирования экологии водоемов.

5.7.2 Содержательная информация.

5.7.3 Графическая информация.

5.7.4 Моделирующие алгоритмы.

5.7.5 Практическая эксплуатация.

5.8 Выводы по разделу 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационно-графическая система поддержки объектов моделирования»

Стремительный прогресс в вычислительной технике и широчайшее ее распространение привели к развитию классических и появлению новых направлений информатики /1-16/. Классическим стало хранение информации в виде Баз Данных, передача её с помощью сетевых технологий, а обработка и визуализация - с помощью современных компьютеров и мощных графических адаптеров. Все эти технологии стали доступны широкому кругу пользователей именно благодаря взлету производительности персональных компьютеров, для которых отношение цена/производительность за последние несколько лет уменьшилось многократно и продолжает падать /17-20/.

Применение компьютеров стало повсеместным, от классического использования в научных исследованиях до автоматизации офисной деятельности и сферы развлечений. Благодаря этому возникла возможность решения как множества новых, так и с новыми подходами старых задач.

При этом большинство задач требует использования новых технологий сразу из нескольких областей. Один из способов решения такого вида задач - применение ГИС-технологий /21-35/.

Данные системы предполагают наличие графической компоненты, связанной с представлением карт, схем и т.п., а также информационной (базы данных), привязанной соответствующим образом к графической. Объединение этих двух компонент способствует более адекватному представлению информации об объекте и, как следствие, более оперативно позволяет принимать грамотные решения /36-41/. Данный подход, активно развивавшийся в последнее десятилетие, принес свои плоды. Появилось множество систем, ориентированных на работу с графическими объектами, имеющими пространственную привязку 121.

Актуальность темы. Географические информационные системы (ГИС) в настоящее время активно используются для решения разнообразных проблем во многих странах мира. Они решают проблемы, связанные с управлением территориями, контролем за экологической ситуацией, распоряжением землей, недрами, недвижимостью /2,7/. Однако на данный момент становится ясно, что этого уже явно недостаточно. «ГИС-технологии, с одной стороны, должны развиваться, становясь технологиями пространственного представления мира, а с другой -соединяться с математическим моделированием» 171.

Понимая всю важность введения методов математического моделирования, многие авторы ссылаются на сложность этой проблемы /32,35/. Действительно, большинство систем впрямую не предназначено для этого. Те же из систем, которые допускают моделирование, требуют использования или внутреннего языка систем (Arc/Info (AML), Mapinfo (MapBasic) и т.д.), или одного из основных языков программирования (GeoGraph/GeoDraw (Visual Basic)). При этом процесс построения систем, в рамках которых возможно решение различных модельных задач с использованием подобных инструментальных средств, во многих случаях является достаточно длительным и дорогим. Поэтому их создание экономически оправдано только в том случае, если они предполагают достаточно длительную эксплуатацию.

В то же время затрачено немало времени и средств на разработку программного обеспечения (ПО) моделирующего плана. Алгоритмы материализованы, отлажены и представлены в старом ПО - написанном без учета новых возможностей.

Существует множество предметных областей, в которых использование ГИС носит, по крайней мере на первых порах, скорее экспериментальный характер в силу недостаточной четкости:

• в очерчивании предметной области;

• в постановке задачи;

• в использовании математических и иных методов для моделирования динамики объекта;

• в представлении результирующей информации, направленной на принятие решений.

Поэтому необходимо, чтобы инструментальная система, используемая в таких случаях, была достаточно простой для использования, дешевой, обладала основными возможностями для работы с графической и информационной компонентами, а также (что может быть наиболее важно) позволяла напрямую использовать уже готовое, разработанное ранее и представленное в различных библиотеках программ моделирующее программное обеспечение. Очевидно также, что такая система должна обладать развитыми средствами импорта-экспорта для взаимосвязи с другими ГИС. Создание моделей объектов с использованием ГИС связано с обеспечением информационной и графической поддержки этих объектов. Поэтому системы, обладающие указанными свойствами, названы в работе /42/ мобильными информационно-графическими системами поддержки объектов моделирования (М-ИГС).

Целью работы является разработка инструментальной среды для создания традиционных и мобильных информационно-графических систем поддержки объектов моделирования и построение на ее основе системы для решения задач экологического мониторинга. Основные задачи работы:

1. Разработка и развитие методов проектирования информационно-графических систем.

2. Формализация описания ИГС.

3. Разработка алгоритмов, обеспечивающих эффективное функционирование ИГС.

4. Разработка комплекса инструментальных средств для создания инструментальных информационно-графических систем.

5. Создание инструментальной информационно-графической среды поддержки объектов моделирования.

6. Построение на основе разработанной инструментальной среды конкретной информационно-графической системы и исследование ее применения для решения задач экологического мониторинга водоемов.

Методы исследования, используемые в работе, базируются на:

• методах системного программирования;

• методах параллельного программирования;

• теории структур и баз данных;

• методах объектно-ориентированного анализа и проектирования;

• методах компьютерной обработки и представления изображений (компьютерной графики);

• методах представления и обработки пространственной и координатно - привязанной информации в геоинформационных системах и системах автоматического проектирования.

Научная новизна:

1. Введено понятие многосортных систем (МСС). Для МСС рассмотрен подкласс информационно- графических систем (ИГС). Класс геоинформационных систем (ГИС) рассмотрен как подкласс информационно-графических систем. Формальный аппарат использован для представления с единых позиций отдельных разнородных составляющих и системы в целом, что стало базой для целостного и непротиворечивого проектирования системы.

2. Предложена концепция мобильной информационно-графической системы, являющаяся эффективным средством быстрого проведения объектного моделирования, динамического отображения результатов для принятия решений.

3. Разработаны алгоритмы, повышающие эффективность работы с графической информацией.

4. Созданы новые программные компоненты, реализующие основные функции информационно-графических систем и обеспечивающие построение инструментальных систем.

5. Создана мобильная инструментальная информационно-графическая система поддержки объектов моделирования, обладающая богатыми возможностями импорта алгоритмов из других программных продуктов.

6. Разработанная инструментальная среда использовалась для создания системы экологического мониторинга Красноярского водохранилища, на основе которой были решены задачи экологического мониторинга, включая решение прогнозных задач на основе моделирования поведения биоты в зависимости от внешних условий. Результаты моделирования могут отображаться как статически (в виде графиков, числовых рядов), так и динамически (в виде анимационного сюжета).

Практическая значимость и реализация. Результаты диссертационной работы использованы в Красноярском государственном университете для создания информационно-графической системы мониторинга Красноярского водохранилища и для ведения учебного процесса по ГИС.

Апробация работы. Основные теоретические результаты, отдельные положения, а также результаты конкретных прикладных исследований и разработок докладывались на научных семинарах Медиа-Центра Красноярского госуниверситета (1993-1998), на международном симпозиуме «Аспекты использования углеводородных и минеральных ресурсов, их влияния на окружающую среду" (НИФТИ КГУ, Красноярск 1995г.), на Международной конференции «Интеркарто 2: ГИС для изучения и картографирования окружающей среды» (Иркутск 1996 г.), на межрегиональной конференции "Проблемы информатизации региона" (Красноярск, 1995, 1996, 1998 г.г.).

Публикации и личный вклад в решение проблемы

Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях, выполненных автором и сотрудниками в Медиа Центре Красноярского госуниверситета.

По результатам выполненных исследований опубликовано 12 работ. Теоретические и практические результаты, изложенные в работе, в основном получены автором.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников (47 наименований), приложения, содержит 125 страниц машинописного текста, 31 рисунок, 2 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)», Цыганок, Дмитрий Алексеевич

5.8 Выводы по разделу 5

В данном разделе описано конкретное программное обеспечение, представляющее собой мобильную информационно-графическую систему поддержки объектов моделирования и его применение в области экологии, в частности:

1. Программные и аппаратные требования к системе.

2. Этапы, прохождение которых необходимо для реализации конкретной информационно-графической системы.

3. Реализация системы для экологического мониторинга водоема Красноярского водохранилища, в рамках создания которой было сделано следующее:

• применены подходы интеграции внешних реализаций алгоритма, посредством представления его в виде элементарной модели;

• проведено соединение входов и выходов модели с базами данных и графическим образом, посредством задания функциональных связей с помощью внутреннего языка системы;

Заключение

Анализ существующих инструментальных средств показал необходимость разработки мобильной информационно-графической системы, обладающей возможностями:

1. Работы с графической информацией (создание, хранение, редактирование и обработка графических образов).

2. Работы с содержательной информацией (создание и манипулирование базами данных, привязка их к графическому образу).

3. Решение модельных задач (использование графического образа и баз данных в качестве входной информации при постановке и решении модельных задач, представление результатов моделирования в табличном, графическом и анимационном видах).

В результате было сделано следующее:

1. Проведены исследования, которые позволили обосновать требования к системам с расширенными функциями моделирования.

2. Введены понятия многосортных систем(МСС) и мобильных информационно-графических систем(М-ИГС).

3. На основе теории автоматов построен формальный аппарат для описания элементов мобильных информационно-графических систем с единых позиций, введено понятие Б-соединения, позволяющие проектировать системы, обладающие расширенными возможностями по импорту внешних реализаций алгоритмов моделирования.

4. Используя формальный аппарат, разработана архитектура Мигс.

5. Разработан ряд алгоритмов, связанных с покадровым разбиением (заливка, кэширование, масштабирование), реализацией языка (индексированные свойства, методы, доступные во время выполнения).

6. Проведена реализация системы с возможностями М-ИГС в операционной системе Windows NT (ГИС ГЕРА).

7. Используя реализованную систему как инструмент, создано конкретное приложение для экологического мониторинга водоемов.

8. На основе созданного ГИС проведено исследование Красноярского водохранилища, моделирование процессов эвтрофикации водоема с использованием моделей кинетики Моно.

Полученные результаты подтвердили эффективность предложенных алгоритмов и подходов при решении задач экологического моделирования.

Созданная инструментальная среда обладает определенными преимуществами в сравнении с такими известными системами как Maplnfo, ArcView и др. в области интеграции графической, содержательной информации и внешних реализаций алгоритмов моделирования. Практическая эксплуатация созданной системы показала возможность широкого ее использования в других предметных областях. Принципы построения, заложенные на стадии проектирования^994 г.), не утратили своей новизны и актуальности на момент завершения системы (1999 г.).

Созданная система содержит набор средств для интеграции новых алгоритмов, поэтому ее использование позволит в будущем создавать

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Цыганок, Дмитрий Алексеевич, 1999 год

1. Чэн Ш.-К Принципы проектирования систем визуальной информации: Пер. с англ. - М.: Мир, 1994.-408 с. ил.

2. Программно-аппаратное обеспечение, фонд цифрового материала, услуги и правовая база геоинформатики в России и СНГ, ежегодный обзор, Москва, 1995г.

3. А. Прицкер Введение в имитационное моделирование и язык С ЛАМП: Пер. с англ. -М.: Мир, 1987.-646 е., ил.

4. Роджерс Д. Алгоритмические основы машинной графики: Пер. с англ. -М. Мир, 1989.-512 е.,ил.

5. Л. Аммерал Принципы программирования в машинной графике. Пер. с англ. -М. :"Сол Систем", 1992.-224 е.: ил.

6. Borland Delphi for Windows , User's Guide. 1995.

7. Информационный бюллетень ГИС ассоциация № 1-2, 1995.

8. Н.М. Амосов, A.M. Касаткин, Л.М. Касаткина, С.А. Талаев Автоматы и разумное поведение: Киев "Наукова думка", 1973.-375 с.

9. Брауэр В. Введение в теорию конечных автоматов: Пер. с нем. М.: Радио и связь, 1987.-392 е.: ил.

10. Ю.Глушков В.М., Цейтлин Г.Е., Ющенко Е.Л. Алгебра. Языки. Программирование.: Киев: Наук, думка, 1989. 376 с.

11. П.Калашников В.В. и др. Нить Ариадны в лабиринте моделирования. М: Наука, 1993.-192 е., ил.

12. Бусленко Н.П., Калашников В.В., Коваленко И.Н. Лекции по теории сложных систем. М.: Сов. Радио, 1973. 440 с.

13. Бусленко Н.П. Сложные системы и имитационные модели// Кибернетика. 1976. №6. С. 50-59.

14. A.Pasko, V.Adzhiev, A.Sourin, V.Savchenko Function representation in Geonetric Modeling: Concepts, Implementation and Application : Shape modeling Laboratory The University of Aizu, Japan 1994.

15. Теория информационных объектов и систем управления базами данных/ Иванов Ю.Н.- М.: Наука. Гл. Ред. Физ. мат. лит., 1988. - 232 с.

16. Ульман Дж. Основы систем баз данных / Пер. с англ. М.Р. Когаловского и В.В. Когутовского; Под ред. М.Р. Когаловского. М.: Финансы и статистика, 1983.- 334 е., ил.

17. Лорд Н., Гирогосиан П., Уэллетт Р., Клерман Р. , Черемисиноф П. Вычислительные машины будущего: Пер с англ.-М. Мир,1987.-193 с.

18. Семенюк Э.П. Информатика : достижения, перспективы, возможности. -М.: Наука, 1988.-176с.

19. Глушков В.М. Основы безбумажной информатики. М: Наука, 1982. -552 с.

20. Глушков В.М. Кибернетика. Вопросы теории и практики. М.: Наука, 1986.-478 с.

21. С. Э. Иоргенсен. Управление озерными системами. Пер. с англ. М: Агропромиздат, 1985.-160 с.

22. Коралев Ю.К. Общая геоинформатика. Часть I. Теоретическая геоинформатика. Выпуск 1. СП ООО Дата+, 1998 г., 118 с.

23. Тикунов B.C. Классификации в географии: ренессанс или увядание?(Опыт формальных классификаций). Москва-Смоленск: Изд-во СГУ, 1997: -367 с.

24. Шайтура C.B. Геоинформационные системы и методы их создания. -Калуга: издательство Н.Бочкаревой, 1998 г. 252 е.: ил.

25. Асланикашвили А.Ф. Картография. Вопросы общей теории. Тбилиси: Мецниереба, 1968. - 299 с.

26. Берлянт А.М. Картографические методы исследований. М., Мысль, 1987. 234 с.

27. Билич Ю.С., Васмут A.C. Проектирование и составление карт: Учебник для вузов. М.: Недра, 1984. - 364 с.

28. Васмут A.C., Бугаевский JIM., Портнов А.М., Автоматизация и математические методы в картосоставлении. М.: Недра, 1991. - 390 с.

29. Жуков В.Т., Серебнюк С.Н., Тикунов B.C. Математико-картографическое моделирование в географии. М.: Мысль, 1980. - 223 с.

30. Кошкарев A.B., Каракин В.П. Региональные геоинформационные системы. М.-: Наука, 1987. 127 с.

31. Подобедов Н.С. Природные ресурсы земли и охрана окружающей среды. Учебник для вузов.- М.: Недра, 1985. 236 с.

32. Кошкарев A.B., Тикунов B.C. Геоинформатика/Под ред. Д.В. Лисецкого.-М.: "Картогеоцентр" "Геодезиздат",1993. - 213с. :ил.

33. Киенко Ю.П. Введение в космическое природрведение и картографирование: Учебник для вузов. М.: Картогеоцентр-Геодезиздат, 1994.-212с.: ил. ISBN-5-860066-005-7

34. William Е. Huxhold An Introduction to Urban Geographie Information Systems. New York, Oxford, Oxford University Press, 1991. 317c.:pic. ISBN 0-19-506534-4.

35. Зб.Олейников Б.В., Распопов В.Е., Сапожников В.А., Горячев В.Н., Поляков А.О., Цыганок ДА. Создание информационно-графической системы поддержки экологического мониторинга. //Актуальные проблемы биологии. Красноярск: КрасГУ, 1994. - С. 30.

36. Цыганок Д.А. Опыт использования DELPHI при проектировании ИГС. //Проблемы информатизации региона. Труды межрегиональной конференции (Красноярск, 27-29 ноября 1995 г.). Красноярск: 1995. -С. 171.

37. Олейников Б.В., Цыганок Д.А. Общая информационно-графическая система поддержки объектов моделирования и принятия решений.//Математическое обеспечение и архитектура ЭВМ: Сб. научных работ. Вып.2/КГТУ Красноярск, 1997. С. 243 - 249.

38. Лукке Ю.В., Олейников Б.В., Цыганок Д.А. Интеграция разнородного программного обеспечения в многосортных системах. //Проблемы информатизации региона. Труды межрегиональной конференции (Красноярск, сентябрь 1996 г.). Красноярск: 1996 . - С. 20-21.

39. Цыганок Д.А., Олейников Б.В. Представление многосортных информационных систем формализмами теории автоиатов. // Труды Международной конференции, часть 1. "Интеркарто 5: ГИС для

40. Пример создание проекта в инструментальной среде

41. Вид окна после старта системы

42. Информационно-графическая система ГЕРА I

43. Гроект ИК ГК Вин Моделирование Окна Помощь <1 'й

44. Вид инспектора объектов при отсутствии проектак> | Информационно-графическая система ГЕРА

45. Проект ИК £К Вид Моделирование Окна Помощь1. Т е»М tfe1. ЕШ1.S:TIGS 0*1 9 йгс Свойство Значение | » 1. Ш ик C(|ior -2147483G3J шн гк Font TFont Aa 1. Name IGS 1. Таймер ( J Tdy 15406268

46. Интепритатор/екста Left -4 ' j 1ая Интерпретатор макроса OIF OLE объект , Процесс Top -4 : \ \ 1. Width 1032 Hi 1. Height 776 1. Cuisor 0 : | . щ MainPiocess Hint 1. HelpContext 0 • j j

47. HorzScrollBar T Controls crollE

48. VertS crollE) at T Controls crollB

49. ActiveControl |ProcessTree j^J

50. Свойства / С вд зи / Соеок цпность /1. Мировые координаты.

51. Вид инспектора объектов после создания нового проектаj Информационно-граФичепкля система ГЕРА

52. О^иек.т ЦК гк Вид Модепмровонис Okh=i Пипошь (рЫ al И1. ШЁШз, инспектора объектов после установки пути для карты и вставки кусков растра, склейки исоздания объектов доступа к базе данных

53. Информационно-графическая система ГЕРА Красноярское водохранилище.

54. Приект ИГ. Г К Вид Модрпироьсшис i>Hd Помощь1. J D | G£>| H | И1. ХЛПК I ||Ц',bill киктшт1. И.*.mi