Введение к работе
Актуальность проблемы. Разработка и применение информационных тем ологнй является одним из приоритетных направлений науки и практики в строительстве, имеющим большое значение для развития строительной деятельности в современных условиях. Архитектурные, землеустроительные, экологические, инвестиционные и др. задачи, решаемые в строительной отрасли, связаны с использованием и обработкой разнообразной графической и пространственной информации о строительном пространстве и объектах. Информационная система по экологической, геотехнической, геологической среде города создает базу для снижения трудоемкости, оптимизации объемов и сроков проектных работ, для оптимизации проектных решений и для обоснования высокоэффективных строительных технологий, обеспечивающих экологическую безопасность городской среды.
Вместе с тем, анализ использования технологий обработки графических и пространственных данных в строительной отрасли показывает недостаточный уровень и ограниченность их применения при решении практических задач. Помимо исторических, организационных и экономических причин такое положение связано с отсутствием научно-обоснованной интегрированной информационной технологии обработки этого вида дан-пых, учитывающей особенности и ориентированной на решение задач строительного профиля. Применение разрозненных информационных систем для этих целей не является удовлетворительной альтернативой, так как приводит к значительным трудностям при объединении создаваемых на их основе прикладных модулей в комплексную информационную систему из-за концептуальной, информационной и программной несовместимости, характерной для базовых систем'обработки графических и пространственных данных.
В связи с этим представляет научный и практический интерес на основе применения методов системотехники строительства и анализа задач строительной отрасли выявить методологические принципы, построения, конструктивные требования и необходимое функциональное наполнение интегрированной информационной технологии, являющейся инструментальной основой для создания специализированных приложений, решающих задачи обработки графических и пространственных данных в строительных системах автоматизации проектирования. Прикладной интерес представляет реализация информационной технологии в виде пакета универсальных алгоритмов и программ, пригодных для решения широкого спектра задач в строительной и других отраслях хозяйства.
Целью исследования является создание научно-методологических основ и практических методов построения информационной технологии обработки графнчесі.их данных
для использования в строительных системах автоматизации проектирования. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.
Проведен анализ задач строительного проектирования, использующих графические и пространственные данные и анализ современного состояния теории и практики разработки соответствующих информационных систем в стране и за рубежом.
Определены методологические принципы построения, требования к структуре и необходимому функциональному наполнению разрабатываемой информационной технологии.
Разработана базовая модель представления графических и пространственных данных, являющаяся методологической основой построения информационной технологии.
Разработан и программно реализован пакет оригинальных методов и алгоритмов, поддерживающих автоматизированный сбор данных с графических материалов (карт, схем, планов и др.); выполняющих внутримодельные преобразования представлений данных; создающих различные визуальные представления данных (традиционные и объемные карты, трехмерные пространственные сцены, динамическое отображение данных и др.).
Исследованы методы повышения производительности обработки данных с использованием мультипроцессорных устройств. Разработаны параллельные вычислительные алгоритмы визуализации, получены теоретические оценки и экспериментальные данные их производительности. Разработаны средства поддержки эффективной работы созданного распределенного программного обеспечения в вычислительной сети.
На базе разработанного программного комплекса созданы прикладные системы: региональный банк картографических данных, автоматизированная картографическая система, система городского кадастра и учета земельных и лесных ресурсов, проектирования строительных дорожных работ, размещения оборудования и др.
Проведено внедрение результатов исследования и созданного программного комплекса, в результате практического применения подтверждена эффективность полученных результатов.
Объект и предмет исследования: задачи автоматизации проектирования в строительстве, использующие графические данные и информационные технологии их обработки; методология построения информационной технологии обработки графических данных и вопросы ее программной реализации, модели и алгоритмы обработки данных.
Методологические основы її методы исследования: системотехника строительства, отечественные и зарубежные исследования по средствам обработки графических и пространственных данных, машинная графика, вычислительная геометрия, объектное и
структурное программирование, распознавание образов, инженерия знаний и методы экспертных систем. Методологическая схема исследования приведена на рисунке Рис. 1. Научная новизна диссертационной работы:
впервые проведен системотехнический анализ специфики и особенностей использования средств обработки графических и пространственных данных в задачах автомгтнзнрован-ного проектирования в строительстве в целях определения принципов построения, требований и необходимого функционального наполнения создаваемой информационной технологии,
созданы научно-методологические основы и практические методы построения информационной технологии обработки рассматриваемого вида данных, отвечающие требованиям прикладной области, обеспечивающие концептуальную, информационную и программную совместимость создаваемых на ее основе прикладных систем,
разработана и программно реализована новая модель представления графических и пространственных данных, объединяющая объектно-локализованные, пространственно-распределенные и конструктивно-геометрические данные, необходимые для решения рассматриваемого круга прикладных задач,
разработан комплекс оригинальных алгоритмов для автоматизированного сбора, хранения, внутримодельных преобразований и для получения различных визуальных представлений графических и пространственных данных,
на основе исследований разработанных алгоритмов параллельной обработки графических данных получены оценки применимости мультипроцессорных вычислительных устройств для обработки рассматриваемого вида данных.
На защиту выносятся:
комплекс теоретических и практических методов построения информационной технологии обработки графических и пространственных данных в строительных системах автоматизации проектирования, включающий новую модель представления данных и пакет оригинальных алгоритмов обработки данных,
интегрированная информационная технология, реализованная в виде программного комплекса для распространенной аппаратно-программной платформы WINTEL. использующая мультипроцессорные системы и многомашинные информационно-вычислительные архитектуры,
результаты применения разработанной информационной технологии для создания приложений в строительстве, управлении, образовании и других областях.
Цель исследования Создание научно-методологических основ и практических методов построения информационной технологии обработки графических данных для строительных систем автоматизации проектирования.
Объект и предмет исследования Задачи строительного проектирования, использующие графические и пространственные данные и информационные технологии. Методология построения информационной технологии обработки графических данных и ее программная реализация.
Методы и средства исследования Системотехника строительства. Отечественные и зарубежн. исследования по информационным технологиям. Вычисл. геометрия, машинная графика, линейная алгебра, распознавание образов, методы экспертных систем и др.
Разработка основных элементов Базовая модель представления данных - концептуальная основа информационной технологии. Пакет алгоритмов функционального наполнения: о автоматизированный ввод графических материалов, о внутримодельные преобразования данных, о получение различных визуальных представлений -карты, объемные карты, объемные пространственные сцены, динамическое отображение, юоповерх-ности и другие.
Разработка дополнительных возможностей Исследование методов повышения производительности обработки данных с использованием мультипроцессорных устройств и разработка алгоритмов визуализации графических данных с применением параллельных вычислений.
Исследование особенностей реализации технологии для работы в вычислительных сетях и разработка необходимой программной поддержки.
Экспериментальная проверка
Решение практических задач в разных отраслях.
Внедрение результатов исследования - методов и программных средств.
Практическая оценка эффективности результатов диссертационного исследования.
Результаты
Методология построения информационной технологии.
Программная реализация в виде технологическогокомплекса.
Специализированные модули для решения ряда практических задач.
Рис.1. Методологическая схема исследования
Практическая значимость результатов исследования. Созданная информационная технология и программные средства имеют практическую направленность и предназначены для создания на их основе специализированных систем по сбору; хранению, передаче и обработке графических и пространственных данных в строительных системах автоматизации проектирования и в других областях. Применение разработанных средств позволяет эффективно решать задачи автоматизации обработки графических данных, опираясь на предложенные решения, при этом разрабатываемые прикладные модули обладают информационной и программной совместимостью и открытостью. Комплекс программных средств обеспечивает высокий уровень автоматизации на всех этапах обработки от ввода исходных данных до получения результатов обработки в требуемых формах представления. Средства автоматизированного ввода данных с графических документов, ооьеди-няющне автоматический ввод и интерактивные методы существенно повышают производительность процесса формирования цифровой графической информации. Средства визуализации эффективно решают задачу автоматизации создания карт, отвечающих отраслевым требованиям оформления. В целом программный комплекс, реализующий технологию, позволяет с небольшими затратами и в ограниченные сроки создавать специализированные прикладные системы разного назначения.
Внедрение результатов исследования проводилось в 1986-1999 гг. Результаты исследования в виде методик и программных продуктов использовались в составе средств автоматизации картографирования в ЦНИИ Геодезии, аэрофотосъемки и картографии (Москва), в Дальневосточном (Хабаровск) и Приморском (Владивосток) аэрогеолезических предприятиях Федеральной службы геодезии и картографии. На базе информационной технологии разработаны системы, с помощью которых созданы банки цифровых картографических данных по гг. Владивосток, Находка и др., используемые в земельных, архитектурных и др. подразделениях администраций. Компоненты технологии использовались в задачах автоматизации научных исследований в институтах ДВО РАН, в задачах строительного и машиностроительного проектирования, в Дальневосточной гос. морской академии (ДВГМА, Владивосток) в проектировании пространственных форм и поверхностей. Программная реализация для транспьютерной системы передана для использования во ВНИИ Проблем вычислительной техники и информатики (Москва). Информационная технология и разработанные на ее основе прикладные пакеты используются в учебном процессе в ДВГМА на кафедре начертательной геометрии и инженерной графики. МФТИ на кафедре АНИ, МГСУ на кафедре САПР в курсе «Системотехника строительства».
Связь с планами отраслей наук и народного хозяйства. Представленные в диссертации исследования проводились в рамках ряда программ.
Государственные научно-технические программы: Программа ГКНТ СССР по созданию транспьютерного набора и многопроцессорных вычислительных систем; Программа Министерства науки, высшей школы и технической политики РФ «Перспективные информационные технологии»; грант Российского Фонда фундаментальных исследований (99-01-00640); Федеральная целевая программа «Интеграция» (А0026).
Научно-исследовательские темы ИАПУ ДВО РАН: «Автоматизация научных исследований на неоднородной вычислительной сети» (гос.регистр. 81055372), «Разработка методов исследования и прогр. средств информационно-вычислительных сетей» (01860107742), «Исследование и разработка средств машинной графики и методов надежного хранения информации для автоматизации картографирования и моделирования сложных объектов» (01910016835), «Исследование и разработка средств машинной графики и применение их в гибких производственных системах» (01861107736).
Научно - техническая программа Федеральной службы геодезии и картографии «Разработка технологий автоматизированного создания и обновления топографических карт».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 24 международных, всесоюзных, региональных конференциях и семинарах. В частности: советско-финский симпозиум «Интерактивные системы» (Тбилиси, 1979); всесоюзн. конференции «Проблемы машинной графики» (1979-1987); всесоюзн. конф. "Вычислительные сети коммутации пакетов" (Рига, 1981); всесоюзн. конф. "Проблемы автоматизации топографо-геодезических и картографических работ" (Новосибирск, 1981); всесоюзн. конф. по искусственному интеллекту (Минск, 1990); всесоюзн. конф. «Транспьютерные системы и их применение» (Звенигород, 1991); всесоюзн. научно-технический семинар «Картографические информационные системы» (Москва, 1992); международная конф. «Региональная информатика» (С.Петербург, 1994); региональный семинар по автоматизации в архитектуре и градостроительстве (Находка, 1995); региональная конф. с международным участием по геоинформатике «АвиаГИС» (Хабаровск, 1996); научная конф. «Методы и средства распознавания сложной графической информации» (Н.Новгород, 1996-1998); научные семинары ИАПУ ДВО РАН, ДВГМА, ЦНИИГАиК, РосНИЦ Роскомзем.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 печати, работ, в т.ч. монография.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание составляет 232 страницы текста, 71 иллюстрацию, 13 таблиц. Список литературы включает 266 наименований.
