Наукова новизна одержаних результатів.

1. Запропоновано нову структуру моделі бази знань про шари геоінформаційної системи з геометричною мережею, яка відрізняється від існуючих урахуванням мультиплікативних та адитивних складових математичного опису взаємовпливу між параметрами різних елементів ГІС, що дозволяє більш точно врахувати взаємовплив параметрів інформаційних моделей різних елементів ГІС.

2. Вперше розроблено інформаційну технологіюавтоматизації обробки параметрів геоінформаційних систем з геометричними мережами, основану на декомпозиції елементів шарів ГІС за критерієм впливу на інтегральні показники мережі та формалізації у базі знань можливих взаємовпливів між параметрами цих елементів поліномом першого порядку, яка дозволяє більш швидко визначати інтегральні показники геометричної мережі у разі зміни параметрів елементів шарів ГІС.

3. Дістав подальший розвиток підхід щодо автоматизованої ідентифікації параметрів та структури математичних моделей процесів у геометричних мережах з урахуванням багатьох факторів, за рахунок налагодження відповідності між структурою інформаційних моделей ГІС та структурою математичних моделей, що дозволить більш комплексно та швидко оптимізувати інтегральні параметри геометричної мережі для різного набору шарів ГІС.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена інформаційна технологія може широко застосовуватися до обробки даних та оптимізації систем з геометричними мережами. Широкий спектр задач, які вирішуються за її допомогою, дозволяє використовувати її для підприємств та установ, що займаються управлінням та оптимізацією параметрів об’єктів, які у ГІС формалізуються як геометричні мережі.

Найбільшу практичну цінність мають такі одержані результати:

1. Розроблена технологія дозволить підвищити швидкість та комплексність автоматизованої обробки параметрів шарів ГІС з ГМ, на які впливають інші елементи систем, та підвищити наочність візуалізації результатів моделювання на картах ГІС.

2. Розроблено структуру та наповнено базу знань ГІС транспортної системи мікрорайону Вишенька міста Вінниці, впроваджену у комунальному підприємстві «Вінницька спеціалізована монтажно-експлуатаційна дільниця з організації дорожнього руху», що дозволяє оптимізувати параметри технічних засобів регулювання дорожнього руху та збільшити пропускну здатність дорожньої мережі міста.

3. Розроблено ГІС громадського маршрутного транспорту міста Вінниці, впроваджену в Управлінні комп’ютеризації та телекомунікацій Вінницької міської ради, що дозволило іншим фахівцям виконати його оптимізацію та візуалізувати її результати на цій же ГІС. Результатом стала Концепція розвитку пасажирського автомобільного транспорту у місті Вінниці з метою оптимізації маршрутної мережі.

4. Удосконалено ГІС басейну р. Південний Буг, що дозволяє проводити більш комплексний аналіз впливу водокористування на якість поверхневих вод. Результати впроваджено у Басейновому управлінні водними ресурсами річки Південний Буг. Впровадження систем підтверджується відповідними актами.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито сутність і стан досліджень науково-прикладної задачі, підстави і вихідні дані для проведення дослідження. Також викладено: актуальність теми дисертації, мету, задачі дослідження, наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, особистий внесок здобувача та апробацію результатів дисертації і публікації здобувача.

Першій розділ. У даному розділі проведено огляд методів та технології обробки параметрів геометричних мереж.

Проаналізовано проблеми моделювання та обробки параметрів геометричних мереж на прикладі транспортної мережі, які пов’язані з урахуванням різних факторів та взаємовпливу одних факторів на інші, що ускладнює обробку даних. Наприклад, необхідність врахування нових об’єктів транспортної інфраструктури або погіршення умов пересування (стан доріг, «пробки» тощо) транспортних засобів вимагає значного часу на ідентифікацію та оптимізацію раніше побудованої моделі цієї мережі.

Аналіз показав, що є чимало методів, моделей та підходів математичного моделювання параметрів геометричних мереж на прикладі транспортної мережі за різних умов та з урахуванням різних факторів. Усі ці методи в комплексі можна використати для синтезу оптимальних законів управління транспортом у місті. Однак, під час застосування даних методів на практиці основною проблемою є адаптація моделей до конкретної вулично-дорожньої мережі, ідентифікація параметрів моделей на практиці, врахування особливостей та обмежень, знаків та інших факторів, які вже є у місті. Зменшити час на таку адаптацію, охопити розрахунками сотні доріг та перехресть, тисячі комбінацій маршрутів можна тільки з використанням сучасних геоінформаційних технологій, зокрема за допомогою геоінформаційної системи вулично-дорожньої мережі заданого міста. Аналогічні задачі є актуальними і під час моделювання процесів у розгалужених річкових та інших мережах.

Для розв’язання задач оптимізації параметрів ГІС з ГМ потрібно створити уніфіковану структуру, яка буде враховувати розбиття елементів системи на типові шари, класифікацію та містити опис параметрів окремих елементів, а також інформаційні, топологічні та математичні зв’язки між елементами різних шарів.

Отже, є актуальною задача створення інформаційної технології автоматизованої обробки параметрів геоінформаційних систем з геометричними мережами (ГІС з ГМ). Технологія повинна містити моделі, методи, алгоритми, прийоми та програмне забезпечення для побудови та ідентифікації типових елементів ГІС з ГМ за реальними даними.

Викладене визначило зміст досліджень, вказаний в задачах досліджень.

Другий розділ присвячено розробці інформаційних моделей та методів формалізації даних про елементи геометричних мереж у ГІС.

Запропонована класифікація та кодування основних елементів ГІС на прикладі транспортної системи міста. При формуванні єдиної системи класифікації та позначень елементів ГІС з ГМ та їх параметрів запропоновано взяти за основу, по-перше, підходи до класифікації та системи позначень, що використовуються у класифікаторах ГІС. Розроблено та описано інформаційні моделі елементів ГІС з ГМ. Подано їх приклади для транспортних систем міст. Охарактеризовано параметри типового шару елементів ГІС з ГМ.

Запропоновано формалізований опис параметрів кожного шару ГІС з ГМ (інформаційну модель) за такою структурою: 1) Тип. 2) Параметри та характеристики елемента ГІС з ГМ. 3) Варіанти ускладнень. 4) Напрямки зміни характеристик. 5) Фактори, які слід враховувати. 6) Методики ідентифікації параметрів моделей. 7) Умови узгодження топології з іншими. 8) Умови узгодження впливу об’єкту на інші.

Розроблено структуру бази знань підсистеми обробки даних інформаційних моделей та охарактеризовано її зв’язок з параметрами математичних моделей процесів у ГІС. Для цього, для кожного шару створюється типова інформаційна модель у базі знань. База знань містить в собі типовий набір параметрів об’єктів мережі в загальному вигляді, а також набір правил, по яким взаємодіють об’єкти бази знань між собою. Для бази знань обов’язково вводиться обмеження – вплив параметрів багатьох шарів на заданий параметр може бути формалізований як сума окремих впливів кожного з цих параметрів на заданий. Охарактеризовано, яким чином може здійснюватись автоматизована ідентифікація параметрів та структури математичних моделей процесів в геометричних мережах з урахуванням багатьох факторів, за рахунок налагодження відповідності між структурою інформаційних моделей ГІС та структурою математичних моделей, що дозволить більш комплексно та швидко визначати та оптимізувати інтегральні параметри геометричної мережі для різного набору шарів ГІС. Різна структура інформаційних моделей ГІС, у т.ч. різний набір шарів ГІС, несуть різну інформацію та враховують і формалізують різну кількість факторів, що впливають на задані показники системи (пропускна здатність вулиць, якість води у річці тощо).

Налагодивши чітку відповідність між інформаційними моделями ГІС та структурою математичних моделей, які описують зміну таких показників під дією різних факторів, можна у разі вибору та ідентифікації тієї чи іншої структури інформаційних моделей ГІС автоматизовано (а то і автоматично) ідентифікувати структуру та параметри відповідної математичної моделі. А це, у свою чергу, дозволить швидше моделювати різні сценарії пошуку оптимальних рішень зі зміни параметрів геометричної мережі у ГІС для покращення її основних характеристик. Наведено приклади формування бази знань про шари ГІС з ГМ.

Третій розділ присвячено розробці геоінформаційної технології обробки параметрів шарів геометричних мереж у ГІС. Запропоновано узагальнений алгоритм застосування технології на прикладі транспортної системи (ТС). На основі проведеного аналізу наявних математичних можливостей у розв’язанні задач з управління транспортними потоками у місті, можливостей геоінформаційних технологій (ГІС-технологій) та специфіки задачі в цілому, запропоновано концепцію створення геоінформаційної системи обробки параметрів ГІС для управління транспортною системою міста, яку пропонується запроваджувати поетапно.

Етап 1. Збирання вхідних даних, вибір основних елементів ТС та варіантів структури інформаційних моделей їх елементів.

Етап 2. Ідентифікація інформаційних моделей елементів ТС міста.

Етап 3. Оптимізація параметрів ТС міста.

Дістала подальший розвиток формалізація геоінформаційних моделей на прикладі елементів транспортної мережі шляхом урахування, поряд із просторовими відношеннями, атрибутивних відношень параметрів різних об’єктів ГІС. Запропоновано метод ідентифікації геоінформаційної моделі транспортної системи (ТС) з відбором елементів мережі за ступенем впливу на параметри та топологію ГІС-моделі мережі шляхом порівняння значень ваги цих елементів із певним граничним значенням.

Розроблено програмний комплекс із застосуванням запропонованої технології для розв’язання задачі оптимізації параметрів руху міського громадського транспорту. Формалізовано інформаційну модель шару ГІС „Міський громадський транспорт”. Визначено вплив параметрів між собою. Розроблено алгоритм ідентифікації параметрів руху для окремого маршруту міського громадського транспорту. Описано методи визначення необхідної кількості розривних випусків, які потрібно буде випустити на маршрут для покращення його якісних характеристик, та метод розстановки їх на маршруті. Наведено алгоритм реалізації методу розстановки.

Розроблено типовий програмний інструментарій для реалізації запропонованої інформаційної технології на прикладі транспортної системи (ТС), в якому враховані такі особливості ТС та прийоми роботи з ГІС:

1. Під час побудови ГІС-моделей елементів ТС та формалізації у базі знань використовуються уніфіковані умовні позначення та назви параметрів (атрибутів), щоб легше було потім їх обробляти.

2. У базі знань закладено множину типових ГІС-моделей, які адаптуються під конкретні елементи ТС, наприклад: «Вулиця із двобічним рухом», «Т-подібне перехрестя», «Забороняючий знак», «Трикольоровий світлофор», «Розмітка – суцільна лінія», «Місце тяжіння – Школа», «Ямковість дороги».

3. Перед застосуванням програмного забезпечення максимально наповнити бази атрибутивних даних та шари ГІС актуальною інформацією, яка може бути в подальшому використана у математичних моделях процесів на окремих ділянках чи об’єктах, що утворюють геометричну мережу.

Проведено порівняльний аналіз тривалості розв’язання задачі ідентифікації параметрів математичних моделей з використанням запропонованої технології та за традиційними підходами на прикладі дорожнього руху у місті та річкової системи. Проведений аналіз показав, що при застосуванні запропонованої інформаційної технології для транспортної мережі у порівнянні з традиційними технологіями та підходами тривалість зменшилась у майже 10 разів, а для річкової мережі – у майже 18 разів. У разі збільшення параметрів, які враховуються, та кількості елементів геометричної мережі, тривалість розрахунку буде зменшуватись.

У четвертому розділі наведено практичне апробування запропонованої технології.Розроблено структуру та частково наповнено базу знань ГІС транспортної системи мікрорайону Вишенька міста Вінниці, впроваджену у комунальному підприємстві «Вінницька спеціалізована монтажно-експлуатаційна дільниця з організації дорожнього руху». Розроблено ГІС громадського маршрутного транспорту міста Вінниці, що дозволило іншим фахівцям виконати їх оптимізацію та візуалізувати її результати на цій же ГІС. Результатом стала Концепція розвитку пасажирського автомобільного транспорту у місті Вінниці з метою оптимізації маршрутної мережі. Удосконалено ГІС басейну р. Південний Буг, що дозволяє проводити більш комплексний аналіз впливу водокористування на якість природних поверхневих вод. Результати впроваджено у Басейновому управлінні водними ресурсами річки Південний Буг.

Моделювання різних ситуацій за допомогою цієї програми дозволяє більш чітко та набагато швидше виявити проблемні місця, які потребують розташування додаткових постів моніторингу якості та кількості поверхневих вод та вжиття певних управлінських заходів на зниження антропогенного впливу. Вчасне усунення в майбутньому цих проблемних місць, наприклад, шляхом урахування відповідних рекомендацій під час розробки нових нормативів на гранично допустимі скиди підприємств, дасть значний соціально-екологічний та економічний (для водокористувачів) ефект.