Геопортальная платформа для управления пространственно-распределенными ресурсами Российский патент 2024 года по МПК G06F17/40 

Изобретение относится к области геоинформационных систем, функционирующих для решения задачи управления пространственно-распределенными природно-социально-производственными системами различного масштаба на основе технологий мониторинга пространственной информации, визуализации геоданных и дистанционного управления устройствами.

В настоящее время множество исследований направлены на создание геоинформационных систем (в том числе геопортальных систем), обеспечивающих информационно-аналитическую поддержку принятия управленческих решений в области анализа состояния природно-социально-производственных систем и управления пространственно-распределенными объектами. Известен ряд изобретений, каждое из которых обладает своими преимуществами и недостатками.

Известен интерактивный геоинформационный комплекс, характеризующийся тем, что содержит блок хранения данных; блок отображения общей информации, соединенный с блоком формирования изображения карт каналом отображения карт и с блоком формирования изображения зоны интереса каналом отображения зоны интереса; блок отображения детализированной информации; блок подготовки общей и детализированной информации, соединенный каналом интерактивного управления с блоком хранения данных, каналом подготовки детализированной информации - с блоком отображения детализированной информации и каналом подготовки общей информации - с блоком формирования изображения карт; интерфейсную систему пользователя, соединенную каналом получения данных с блоком хранения данных и каналом управления составом детализированной информации - с блоком отображения детализированной информации, при этом интерфейсная система пользователя также соединена каналом управления с блоком формирования изображения карт и каналом управления - с блоком формирования изображения зоны интереса (RU 2571784, МПК G06F 17/00, опубл. 20.12.2015).

К недостаткам данного интерактивного геоинформационного комплекса следует отнести ограниченные функциональные возможности, в том числе отсутствие решения задачи оптимизации процесса визуализации больших массивов пространственных данных, определения способа организации системы сбора данных из внешних источников, отсутствие инструмента автоматизации процесса управления территориально-распределенными объектами.

Известен способ комплексного мониторинга природной среды. В заявке определена новизна технологического решения, основанная на автоматизации комплексного мониторинга природной среды посредством объединения информационных потоков в едином Центре комплексного мониторинга природной среды. Предложенный способ отличается оптимизацией однотипных циклов обработки информации, реализуемых не реже одного раза в пять лет (RU 2680652, МПК G09B 29/00, опубл. 25.02.2019).

К недостаткам способа комплексного мониторинга природной среды следует отнести отсутствие определения механизмов оптимизации отображения больших массивов пространственных данных и автоматизации процессов управления территориально-распределенными объектами (стационарными и мобильными контрольными постами).

Известна система принятия решений при угрозе и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций (ЧС), включающая в себя средства автоматизации прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций, оценки природно-техногенных рисков, поддержки принятия управленческих решений при угрозе возникновения или ликвидации последствий ЧС. Система включает интеграционную геоинформационную подсистему для преобразования векторных форматов геопространственных данных в растровые форматы и обеспечения оперативного отображения информации на основе электронных карт территорий, подсистему сбора и обработки обращений о кризисных и чрезвычайных ситуациях, подсистему комплексного информирования и оповещения о чрезвычайных ситуациях (RU 2796623, МПК G08B 27/00, СПК G08B 27/00, G06F 17/00, G06Q 10/06, опубл. 29.05.2023).

К недостаткам системы следует отнести то, что она решает конкретную задачу принятия решений при угрозе и ликвидации последствий ЧС и недостаточно масштабируема под решение иных задач управления территориально-распределенными системами. В заявке не представлено решение проблемы визуализации больших массивов пространственных данных.

Известна муниципальная геоинформационная система, содержащая связанные с процессорным блоком устройство, предназначенное для хранения данных об объектах недвижимости и их технологических параметрах, устройство ввода данных и устройство управления, а также устройство контроля и измерения технологических параметров объектов недвижимости, включающее блок обработки значений технологических параметров объектов недвижимости, блок планирования, обеспечивающий расчет предполагаемой выручки по объектам недвижимости, блок учета, обеспечивающий учет фактической выручки по объектам недвижимости, блок анализа эффективности управления объектами недвижимости, обеспечивающий регулярный и оперативный сбор данных, характеризующих эффективность использования объектов недвижимости, расчет и формирование отчетности, отличающаяся тем, что она снабжена устройством съемки поверхности земли с расположенными на ней объектами недвижимости и устройством координатной привязки значимых точек объектов недвижимости на фотографируемой поверхности земли, связанными с блоком передачи результатов съемки и координат привязки процессорному блоку, выполненному с возможностью реализации функции перевода полученных данных в графическую форму, соответствующую плану местности для последующего сравнения технологических параметров объектов недвижимости, полученных при съемке, с имеющимися в устройстве, предназначенном для хранения данных об объектах недвижимости и их технологических параметров, уточнения ключевых параметров объектов недвижимости, выявления неучтенных объектов и добавления их в базу данных (RU 2571919, МПК G06Q 50/00, опубл. 27.12.2015).

К недостаткам системы следует отнести отсутствие возможности интеграции в систему устройств мониторинга различного типа, реализации алгоритма отображения больших массивов пространственных данных. Не определена возможность масштабирования изобретения под решение иных задач, связанных с анализом и управлением геоданными.

Известна система мониторинга и управления сельскохозяйственным производством на основе Интернета вещей. Изобретение основано на использовании компонентов сбора информации и комплексной системы управления информационным контролем, включающей центр мониторинга и облачный сервер. Система решает задачи принятия решений в области сельскохозяйственного производства (CN 203241793, МПК G05B 19/418, опубл. 16.10.2013).

К недостаткам системы следует отнести отсутствие возможности интерактивного редактирования пространственных объектов различного типа с возможностью последующего динамического отображения больших массивов пространственных данных на цифровой карте, отсутствие возможности гибкой настройки средств автоматизации процессов управления сельскохозяйственными системами. Кроме этого, слабо охарактеризована возможность масштабирования системы под решение иных задач народного хозяйства.

Известна многоуровневая навигационно-информационная система мониторинга транспортных средств. Изобретение решает задачу получения информации о местоположении транспортных средств и консолидации информации в хранилище данных посредством сети Интернет на сервере хранения и обработки данных с возможностью получения доступа к данным с рабочих станций (RU 2612943, МПК G08B 25/10, опубл. 14.03.2017).

К недостаткам системы следует отнести отсутствие возможностей конфигурируемой автоматизации процессов управления территориально-распределенными объектами, редактирования базы пространственных объектов разных категорий, реализации функционала визуализации больших массивов пространственных данных. Изобретение нацелено на решение транспортных задач и не охватывает другие отрасли народного хозяйства.

Наиболее близким по технической сущности является интерактивный пространственно-экономический геоинформационный комплекс, включающий программно-аппаратные средства подготовки формирования, отображения информации и хранения данных с интерфейсной системой пользователя и позволяющий повысить безопасность и надежность передачи и представления данных, упростить работу пользователя. Изобретение позволяет в автоматическом режиме формировать и представлять пользователю набор требуемых исходных данных, использовать результаты ГИС-обработки модифицированных картографических отображений (RU 2791842, МПК G06F 17/40, H04L 9/00, опубл. 13.03.2023).

К недостаткам интерактивного пространственно-экономического геоинформационного комплекса, принятого за прототип, следует отнести отсутствие конкретного решения задачи сбора данных из внешних источников, отсутствие инструментов автоматизации процесса управления территориально-распределенными объектами. В заявке не представлено решение задачи интерактивной визуализации больших массивов пространственных данных различной тематики.

Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение скорости управления большими массивами пространственных данных о статических и динамических территориально-распределенных объектах на основе технологий визуализации больших массивов пространственных данных, обеспечение возможности гибкого масштабирования управляемых территориальных систем, тонкой настройки функций автоматизации, получение возможности развертывания нескольких геопортальных систем в рамках одной платформы.

Технический результат достигается за счет внедрения новых алгоритмов хранения, обработки и визуализации на основе графических веб-интерфейсов больших массивов пространственных данных.

Краткое описание чертежей изобретения. На фиг. 1 представлена архитектурная организация геопортальной платформы управления пространственно распределенными ресурсами. Цифрами обозначены следующие элементы платформы: 1 - геопортальная платформа, 2 - сеть управления пространственно-распределенными ресурсами, 3 - геопортальная система, 4 - подчиненное устройство, 5 - головное устройство, 6 - отдельное устройство, 7 - природно-социально-производственная система (ПСПС).

На фиг. 2 представлена архитектурная организация геопортальной системы. Цифрами обозначены следующие элементы платформы: 8 - подсистема визуализации пространственных данных, 9 - подсистема администрирования геопортальной системы, 10 - подсистема интерактивной генерации отчетной документации, 11 - подсистема интеграции с внешними системами, 12 - подсистема интерактивной аналитической обработки, 13 - подсистема автоматизации процессов, 14 - подсистема рассылки оповещений, 15 - пространственная база данных, 16 - OLAP хранилище. Блок 17 соответствует лицу, принимающему решение.

На фиг. 3 представлена схема организации подчиненного устройства геопортальной платформы, на фиг. 4 - головного устройства геопортальной платформы, на фиг. 5 - отдельного устройства геопортальной платформы. Цифрами обозначены следующие элементы: 18 - контроллер, 19 - программное обеспечение устройства, 20 - датчик, 21 - исполнительное устройство, 22 - устройство приема и передачи данных, 23 - GPS/GLONASS модуль, 24 - модуль передачи данных по ТСРЛР.

Сущность изобретения заключается в том, что геопортальная платформа для управления пространственно-распределенными ресурсами включает программно-аппаратные подсистемы, реализующие задачу хранения, обработки, анализа, визуализации пространственной информации о территориально-распределенных системах на основе графических интерфейсов пользователя и систем хранения данных, размещенных на серверах и взаимодействующих между собой и компьютерами пользователей посредством каналов связи вычислительной сети. Упомянутые выше подсистемы включают в себя сеть управления пространственно-распределенными ресурсами, функционирующую на основе набора устройств интернета вещей, и геопортальную систему, включающую подсистемы визуализации пространственных данных, содержащую программный модуль цифровой карты, выполняющий алгоритм динамичного отображения больших массивов пространственных данных на основе асинхронной подгрузки площадных пространственных данных различных тематических слоев в рамках активного окна на основе критерия значимости, подсистему администрирования геопортальной системы, содержащую интерфейсы манипулирования пространственными данными в рамках нормализованного реляционного интерактивного хранилища, структура которого не привязана к существующим форматам хранения пространственных данных в геоинформационных системах, подсистему интерактивной генерации отчетной документации, содержащую алгоритм преобразования данных в открытый формат электронных документов, подсистему интеграции с внешними системами, содержащую модуль подключения устройств разного типа в единую систему сети управления пространственно-распределенными ресурсами, подсистему интерактивной аналитической обработки, содержащую программный модуль визуализации консолидируемой информации на цифровой карте и в табличном виде, подсистему автоматизации процессов, содержащую инструмент программирования триггеров автоматизации в рамках графических интерфейсов пользователя, срабатывающих при наступлении пространственных, статистических и параметрически определяемых условий, и приводящих к целевым действиям, в том числе отправке управляющих команд и оповещений, подсистему рассылки оповещений. Также геопортальная система дополнительно содержит мультимодельное хранилище данных.

Геопортальная платформа - комплекс программно-аппаратных средств, включающий геопортальную систему и сеть управления пространственно-распределенными ресурсами (фиг. 1). Управление природно-социально-производственными системами происходит на основе решении задачи мониторинга посредством датчиков и воздействия на основе исполнительных устройств.

Сеть управления пространственно-распределенными ресурсами -вычислительная сеть, функционирующую на основе набора устройств интернета вещей разного типа и решающая задачи сбора данных о природно-социально-производственных системах и воздействия на внешнюю среду за счет дистанционного запуска исполнительных устройств.

Геопортальная система - информационная система, включающая в себя мультимодельное хранилище пространственных данных и набор взаимодействующих подсистем (фиг. 2):

1) Подсистема визуализации пространственных данных, включающая программные модули цифровой карты, легенды цифровой карты и поиска пространственных данных;

2) Подсистема администрирования геопортальной системы, включающая модули задачу манипулирования хранилищем пространственных данных и иных объектов геопортальной системы на основе авторизованного доступа к подсистемам управления данными;

3) Подсистема интерактивной генерации отчетной документации, включающая компонент формирования данных в межплатформенных открытых форматах;

4) Подсистема интеграции с внешними системами, включающая интерфейсные инструменты для решения задачи мониторинга и дистанционного управления территориально-распределенными объектами, а также для подключения новых устройств к геопортальной системе;

5) Подсистема интерактивной аналитической обработки, включающая модули визуализации телеметрических данных, агрегируемых с устройств параллельно в табличном виде и на цифровой карте;

6) Подсистема автоматизации процессов, включающая модуль визуального программирования и настройки набора триггеров, исполнение которых определяется наступлением набора условий;

7) Подсистема рассылки оповещений, включающая компонент отправки уведомлений при определенном условии.

Геопортальная система содержит мультимодельное хранилище данных, предполагающее использование различных подходов к манипулированию консолидированными данными. Реляционный подход использован для структурированного описания информации о пространственных объектах и их атрибутах, колоночно-ориентированный - для управления информацией в режиме реального времени, резидентный - для обеспечения обработки поступающих данных.

Взаимодействие геопортальной системы с сетью управления пространственно-распределенными ресурсами осуществляется на основе прикладных программных интерфейсов (API), взаимодействие с которыми происходит на основе протокола TCP/IP. Лицо, принимающее решение взаимодействует с геопортальной системой на основе графических интерфейсов пользователя подсистем администрирования и визуализации пространственных данных, функционирующих на основе веб-технологий.

Далее дана характеристика подсистем геопортальной система.

1) Подсистема визуализации пространственных данных. Представляет собой компонент, основой которого является цифровая карта. Программный модуль цифровой карты отличается тем, что интерпретируется в браузере и может быть интегрирован в веб-систему, написанную на различных языках программирования. Цифровая карта реализуется как тонкий клиент, интерпретируемый веб-браузером и визуализирующих асинхронно подгружаемые наборы пространственных данных.

Программный код цифровой карты реализован на языке JavaScript, который интерпретируется веб-браузером и не привязан к серверным языкам программирования. Данные с сервера компонент получает посредством обращения к прикладным программным интерфейсам геопортальной системы и визуализирует их в рамках шаблона, который описывается на языке гипертекстовой разметки HTML и стилизуется с использованием каскадных таблиц стилей CSS. Благодаря этому, цифровая карта может быть интегрирована в том числе в веб-системы сторонних поставщиков различного типа.

Новизна модуля определена функцией асинхронной подгрузки площадных пространственных данных различных тематических слоев в рамках активного окна на основе критерия значимости, определяемого исходя из масштабных пространственных характеристик объекта. Оценка масштабных пространственных характеристик объекта производится на основе расчета радиуса вписанной окружности. Возможность отображения больших данных в рамках цифровой карты решается на основе кластеризации пространственных объектов на основе модифицированного алгоритма k-средних для разномасштабной визуализации точечных данных. Выборка данных на цифровой карте решается на основе морфологического поиска по таблице атрибутивных данных.

Легенда цифровой карты представляет собой интерактивный программный компонента, который позволяет оптимизированно управлять отображением различных наборов тематических слоев без необходимости повторного асинхронного запроса на получение ранее загруженных площадных объектов. Подсистема визуализации пространственных данных спроектирована с соблюдением требования адаптивности, что позволяет системе функционировать в рамках браузеров мобильных и десктопных устройств. На цифровой карте отображаются статичные и динамично изменяемые пространственные объекты.

Ключевым отличием компонента построения цифровой карты является возможность отображения больших массивов пространственных данных о площадных полигональных объектах. Геопортальная система принимает данные в формате JSON, который имеет иерархическую структуру, причем информация о геообъектах хранится в более строгой форме, в GeoJSON, регламентирующей описание геопространственных объектов. Другой проблемой, требующей решения, стала необходимость оптимизированного отображения большого количества объектов на цифровой карте, как с точки зрения наглядности, так и производительности.

Общий алгоритм инициализации цифровой карты (поток А) геопортала имеет следующий вид:

А1. Получение метаданных портала на основе метода API portal_info. Ответ включает в себя три блока данных: portal: {…}, styles: {…}, categories: {…}.

А2. На основе блока данных portal происходит инициализация цифровой карты: устанавливается заголовочная информация, выбирается тема оформления и формируется графический интерфейс пользователя. Затем осуществляется центровка карты в заданном месте и выбирается масштаб, определенный в системе администрирования.

A3. На основе контейнера styles происходит построение таблицы стилей цифровой карты, на основе которой будут стилизованы пространственные объекты полигональной, линейной и точечной формы.

А4. С использованием контейнера categories происходит формирование меню интерактивного выбора тематических слоев и базовой картографической основы.

После выполнения алгоритма инициализации цифровой карты геопортала (поток А) начинает выполняться алгоритм визуализации первичного набора данных (поток Б), включающий последовательность следующих операций:

Б1. Получение облегченного массива точечных геоданных по объектам геопортала на основе метода API objects/total, имеющего следующую структуру: идентификаторы объектов (id), стилей (style_id), категорий (category_id) и координаты объекта (X и Y). Координаты точечных данных используются по принципу «как есть», а для площадных объектов берется центр минимальной очерчивающей окружности.

Б2. Кластеризация облегченного массива точечных геоданных на основе модифицированного алгоритма k-средних (k-means) для разномасштабной визуализации точечных данных на цифровой карте с группировкой по тематическим слоям.

Б3. Рендеринг кластеризованных геообъектов на цифровой карте с применением таблицы стилей цифровой карты для визуализации точечных, линейных и площадных объектов.

Б4. Привязка события клика мыши на маркер геообъекта, определяющего порядок асинхронной подгрузки детализированных метаданных объекта (названия, фотоизображения, описания, тегов).

Решение задачи кластеризации облегченного массива точечных геоданных на основе модифицированного алгоритма k-средних для разномасштабной визуализации точечных данных на цифровой карте реализуется согласно алгоритму, описанному далее.

К массиву точечных геоданных, каждый элемент которого представлен парой координат (широта, долгота) применяется классический алгоритм k-средних, который определяет центры кластеров на основе расстояний между точками данных и находит оптимальное разбиение на к кластеров. Алгоритм минимизирует суммарное квадратичное отклонение геоточек кластеров от центров этих кластеров:

где k - число кластеров,

S_i- i-й кластер геообъектов,

μ_i - центр масс кластера S_i.

Число кластеров представляет собой настраиваемый параметр, определяющий плотность кластеризации данных для каждого масштаба цифровой карты. Далее выбирается к точек геоданных из исходного набора в качестве начальных центров кластеров с применением эвристики о том, что кластеры должны быть распределены равномерно. Затем, для каждой точки данных на карте, определяется ближайший центр кластера с присвоением этой точке метки соответствующего кластера.

Затем необходимо провести поиск новых центров кластеров на основе точек данных, отнесенных к каждому кластеру. Это делается путем вычисления средней широты и долготы для всех точек геоданных, относящихся к каждому кластеру, и использования этих координат как новых кластерных центров. Данная операция итеративно повторяется до тех пор, пока центры кластеров не станут стабильными или пока не будет достигнуто максимальное количество итераций.

Результатом алгоритма является кластеризация геоданных, где каждая точка данных отнесена к ближайшему кластеру на карте. Кластерное представление геоданных может быть визуализировано на цифровой карте, благодаря чему большие данные становятся представлены с одной стороны наглядно, а с другой - значительно снижается ресурсоемкость операции рендеринга геоданных. Каждый кластер может быть раскрашен в разные цвета и отмечен текстовой меткой, визуализирующей число кластеризованных элементов.

По результатам выполнения алгоритма визуализации первичного набора данных (поток Б), начинается выполнение алгоритма асинхронной подгрузки геоданных для текущего экрана (поток В). Также поток В, выполняется при двух типах событий: изменения масштаба цифровой карты и панорамировании. Поток содержит следующую последовательность операции:

B1. Совершение асинхронного запроса к серверу данных на основе метода objects/get_bbox для получения значимых площадных геоданных, принадлежащих текущему экрану (ограничительной рамке) в формате, содержащем информацию об идентификаторе объекта (id), стиля его оформления (style_id) и категории (category_id) и геометрии (массиве данных geometry о вершинах, характеризуемых широтой и долготой).

B2. Обновление массива данных о площадных геообъектах для тематических слоев цифровой карты с последующим рендерингом информации для активных слоев.

B3. Привязка события клика мыши на площадной геообъект, определяющего порядок асинхрнной подгрузки детализированных метаданных объекта по тому же принципу, что и для маркера.

Разработанный алгоритм получения значимых площадных геоданных (поток Г), принадлежащих текущему экрану (ограничительной рамке) функционирует следующим образом:

Г1. Для каждого площадного и линейного объекта базы геоданных осуществляется построение минимальной очерчивающей окружности, после чего координаты ее центра (lat, lon) и радиус R сохраняются в базе геоданных в проекции EPSG:4326 (WGS-84) и используются в потоке Б для решения задачи визуализации первичного набора данных.

Г2. Для каждого площадного объекта рассчитывается и сохраняется в базу данных параметр dpx₁₈, равный диаметру геообъекта в пикселях в 18-м масштабе цифровой карты. Расчет этого параметра осуществляется по следующему принципу: во-первых идет подсчет разрешения для данной широты при масштабе z=18 (параметр зависит от радиуса Земли R_E):

Во-вторых, происходит расчет параметра dpx₁₈, определяющего диаметр минимальной описывающей окружности в пикселях для цифровой карты 18-го масштаба, учитывая радиус R.

Г3. При обновлении масштаба карты и панорамировании в запросе к методу API portal_info передаются параметры ограничивающей рамки (bounding box) и z-уровня масштабирования. На основе настраиваемого параметра threshold, определяющего минимально значимый диаметр в пикселях для подгружаемых объектов в масштабе, рассчитывается граничный показатель dpx_min(z):

При выборке объектов, в SQL-запросе определяются два условия: 1) пересечение границ ограничивающей рамки и полигона и 2) необходимость истинности неравенства dpx₁₈>dpx_min(z).

Г4. Формирование j son-массива площадных объектов в рамках выполнения потока В подгрузки геоданных для текущего экрана с последующим рендерингом значимых объектов на цифровой карте.

Реализация данного алгоритма позволяет при конкретных параметрах просмотра цифровой карты визуализировать только значимые объекты. Значимость может настраиваться через конфигурирование параметра threshold.

Программное решение может функционировать в рамках современного веб-браузера как на десктопном устройстве, так и на мобильном: смартфоне или планшете.

Управление процессом интерактивной настройки наборов тематических слоев осуществляется на основе модуля легенды цифровой карты, позволяющего изменять базовую картографическую основу на основе визуализации растровых и векторных базовых картографических данных, а также набор категорий визуализируемых статических и динамических объектов.

Визуализация растровых и векторных базовых картографических данных реализована на основе системы иерархических тайлов. Тематические слои, выстраиваемые на основе растровых и векторных тайловых данных могут быть скомбинированы между собой для повышения эффективности анализа состояния природно-социально-производственных систем.

Другим источником данных для тематических слоев геопортала являются геообъекты системы, управление которыми осуществляется посредством подсистемы администрирования. Обмен данными между геопортальной системой и подсистемой администрирования производится на основе прикладных программных интерфейсов (API), функционирующих на основе архитектурного паттерна REST. Обеспечение отображения объектов на цифровой карте базируется на следующих алгоритмах: 1) инициализации цифровой карты (поток А); 2) визуализации первичного набора данных (поток Б), включающий компонент разномасштабной кластеризации; 3) асинхронной подгрузки геоданных для текущего экрана (поток В) при изменении масштаба цифровой карты и панорамировании; выборки значимых площадных геоданных (поток Г).

В рамках системы обеспечивается визуализация статических и динамических объектов. Процесс визуализации динамических объектов геопортала отличается тем, что для каждого из них осуществляется периодическое асинхронное обновление координат. Для статических и динамических объектов системы реализована возможность просмотра атрибутивной информации об объекте посредством асинхронной подгрузки связанных данных, инициируемой событием нажатия курсором мыши по маркеру объекта и рендерингом всплывающего связанного модального окна.

Поиск по базе пространственных данных решается на основе на основе семантического поиска текстовых данных с учетом морфологии. Ключевые термины для поиска вводятся посредством текстового поля. Инициирование выполнения алгоритма поиска осуществляется на основе нажатия клавиши Enter или кнопки поиска в графических интерфейсах. В случае нахождения объектов, цифровая карта центрируется и масштабируется таким образом, чтобы все найденные объекты были отображены в рамках активного окна. Реализована функция сброса результата поиска, позволяющая вернуть цифровую карту к режиму отображения всех объектов системы.

2) Подсистема администрирования геопортальной системы. Представляет собой компонент, решающий задачу манипулирования хранилищем пространственных данных и предоставляющий авторизованный доступ к другим подсистемам. Новизна подхода к хранению пространственных данных определена разработкой нормализованного реляционного интерактивного хранилища, не зависящего от существующих форматов хранения пространственных данных в геоинформационных системах. В отдельных таблицах обеспечивается хранение пространственных параметров объектов, категорий, атрибутов, тематических слоев, стилей отображения, геопорталов-сателлитов и тегов. Сущности реляционного хранилища приведены к третьей нормальной форме.

Накапливаемые массивы пространственных данных геопортальной системы могут быть экспортированы в формате GeoJSON для решения задачи обмена данными и последующего универсального импорта в другие геоинформационные системы. Новизна подхода обеспечивается реализацией возможности организации сразу нескольких геопорталов-сателлитов вокруг одной геопортальной системы.

3) Подсистема интерактивной генерации отчетной документации. Компонент позволяет экспортировать данные из подсистемы администрирования в межплатформенный открытый формат PDF для решения задачи обмена информацией в удобном для человека виде. Отличие компонента от существующих аналогов заключается в возможности конфигурирования набора экспортируемых данных о территориальном объекте, в том числе названии, кратком и детальном описании, картографическом отображении и иной атрибутивной информации. Реализована возможность изменения видимости и порядка отображения информационных блоков о пространственном объекте.

4) Подсистема интеграции с внешними системами. Компонент обеспечивает решение задачи мониторинга и дистанционного управления природно-социально-производственными системами. Подсистема интеграции с внешними системами получает данные от сети управления пространственно-распределенными ресурсами посредством прикладных программных интерфейсов на основе протокола передачи данных ТСРЛР.

Сеть управления пространственно-распределенными ресурсами представляет собой часть геопортальной платформы, выстраиваемую на основе набора устройств интернета вещей. Реализован вариант развертывания вычислительной сети управления на основе системы, состоящей из подчиненных и головных устройств. Устройства разработаны на основе модульной компонентной организации, позволяющей достичь качественное свойство расширяемости и создания новых типов устройств. Получение обозначенного преимущества достигается за счет соблюдения принципов объектно-ориентированного проектирования: единственной ответственности, открытости к расширению, закрытости к внутренней модификации.

Подчиненное устройство (ПУ) включает в свой состав контроллер с программных обеспечением (ПО), реализующим возможность подключения датчиков для сбора измерений условий функционирования природно-социально-производственных систем и исполнительных устройств, решающих задачу воздействия на внешнюю среду (фиг. 3). Для определения позиции подчиненного устройства контроллер использует GPS/GLONASS модуль. Устройство приема и передачи данных обеспечивает передачу данных с подчиненного устройства на головное в рамках сети управления пространственно-распределенными ресурсами по внутреннему каналу передачи данных.

Головное устройство (ГУ) принимает данные с подчиненных устройств и передает их на геопортальную систему посредством модуля передачи данных по TCP/IP (фиг. 4). Передача данных реализована на основе технология беспроводной передачи данных в Интернет на основе стандарта IEEE 802.11. Преимуществом предложенного комбинированного подхода, заключающегося в совместном использовании головного и подчиненного устройств заключается получение возможности эффективного масштабирования сети управления пространственно-распределенными ресурсами. Подчиненные устройства не требуют привлечения сторонних провайдеров связи для обмена информацией по внутреннему каналу передачи данных. Это позволяет достичь получения набора преимуществ при эксплуатации сети. Во-первых, исключается эффект роста стоимости услуг сторонних провайдеров связи при подключении наборов новых устройств. Во-вторых, реализуется возможность построения сети в рамках территориальных систем, не имеющих доступа к сетям передачи данных сторонних провайдеров.

Для организации внутреннего канала передачи данных используются устройства приема и передачи данных LoRa (Long Range), основанные на технологии модуляции маломощной сети. Преимуществом использования этой технологии является возможность развертывания сети в рамках значительного радиуса, измеряемом километрами в зависимости от территориальных особенностей природно-социально-производственных систем. При этом скорость передачи данных характеризуется невысокими значениями, что удовлетворительно в условиях решения задачи передачи данных с датчиков и управляющих команд.

Отдельное устройство (ОУ), как и подчиненное устройство сети управления пространственно-распределенными ресурсами, функционирует на основе модульной организации и включает контроллер, управляемый программным обеспечением для решения задачи сбора данных с датчиков и запуска исполнительных устройств (фиг. 5). Устройство снабжено модулем передачи данных по ТСРЛР, что позволяет при необходимости его использования вне интеграции с головным устройством.

Устройства сети управления пространственно-распределенными ресурсами взаимодействуют с геопортальной системой по шаблону издатель-подписчик на основе протокола обмена сообщениями MQTT, построенного на основе протокола ТСРЛР. Эксплуатация протокола обеспечивает устойчивое функционирование процесса обмена данными между устройствами сети управления пространственно-распределенными ресурсами и геопортальной системой как в направлении обмена показаний датчиков, так и при отправке управляющих команд. Для осуществления взаимодействия отдельного устройства и геопортальной системы на прикладном уровне реализован компонент обмена телеметрическими данными на основе протокола FLEX.

В рамках подсистемы интеграции с внешними системами реализована возможность мониторинга данных, передаваемых от устройств сети управления пространственно-распределенными ресурсами и отправки управляющих команд из интерфейсов диспетчеризации. Новые устройства могут быть добавлены в реестр из подсистемы администрирования.

5) Подсистема интерактивной аналитической обработки. Компонент обеспечивает возможность визуализации телеметрических данных, агрегируемых с устройств в табличном виде и на цифровой карте. Функции фильтрации позволяют выбирать наборы телеметрической информации в соответствии с настраиваемым набором критериев.

Для хранения и аналитической обработки данных телеметрии, собираемых посредством сети управления пространственно-распределенными ресурсами, используется расширение системы управления базами данных для работы с временными рядами. Хранение телеметрических данных осуществляется посредством колоночно-ориентированного подхода.

В рамках компонента реализована функция экспорта данных из интерфейсов интерактивной аналитической обработки подсистемы администрирования в формат PDF для решения задачи обмена информацией в удобном для человека виде.

6) Подсистема автоматизации процессов. Компонент позволяет посредством визуального программирования формировать и настраивать набор триггеров посредством графического веб-интерфейса. Под триггером понимается хранимая и настраиваемая процедура, исполнение которой определяется наступлением набора условий, связанных с изменением значений консолидируемых пространственных данных.

Для каждого триггера системы реализована возможность настройки названия, размер временного окна проверки условий триггера, выбор группы устройств, к которым применяется действие, инициируемое триггером, статус активности, а также текстовое описание.

Для каждого триггера системы реализована настройка условий активации следующих типов:

По значению параметров. В границах настраиваемых временных рамок осуществляется запрос к таблице телеметрических данных, консолидируемых с интегрированных в систему устройств. Может быть указано несколько условий в формате «параметр» - «оператор сравнения» - «значение параметра». В случае указания нескольких условий, они комбинируются посредством оператора логического ИЛИ. В случае, если значение атомарного или комбинированного условия равно истине, выполняется запуск целевого действия.

По значению статистических параметров. Осуществляется расчет статистических метрик (в том числе максимума, минимума, среднего) для значений параметров за определенный интервал с последующей проверкой соблюдения условия. В случае, если значение условия равно истине, выполняется запуск целевого действия.

Следование маршруту. Осуществляется оценка степени удаленности устройства геопортальной системы от маршрута. Маршрут определяется полилинией, следующей через определенный набор точек. Реализована функция автоматизированного интерактивного построения маршрута через несколько (две и более) точек на основе алгоритма поиска кратчайшего пути. Кратчайший маршрут рассчитывается на основе открытых данных об уличной дорожной сети. Поиск кратчайшего маршрута осуществляется на основе многоуровневого алгоритма Дейкстры (multi-level dijkstra, MLD). Модульная организация системы позволяет осуществить замену одного алгоритма поиска кратчайшего пути на другой. Расстояние между пространственным объектом и маршрутом определяется равным длине отрезка, соединяющего объект с ближайшей точкой маршрута. Проверяется соблюдение условия сравнения расстояния между пространственным объектом и маршрутом с численным значением. В случае, если значение условия равно истине, выполняется запуск целевого действия.

Попадание объекта в рамки полигона. Осуществляется проверка нахождения объекта в рамках полигона. Возможна проверка условия нахождения объекта внутри и снаружи полигона. В случае, если значение условия равно истине, выполняется запуск целевого действия.

Целевое действие, запускаемое при соблюдении условия триггера может быть выбрано из реестра возможных целевых действий для конкретного устройства (запуск и остановка устройства, активация функции полива, включение света и так далее).

7) Подсистема рассылки оповещений. Компонент функционирует в рамках Подсистемы автоматизации процессов и позволяет осуществить рассылку уведомлений при активации определенного триггера совместно с запуском целевого действия.

Реализована возможность отправки сообщений на электронную почту, оповещение посредством использования мессенджера и передача параметров на внешние прикладные программные интерфейсы.

Принцип работы геопортальной платформы для управления пространственно-распределенными ресурсами представлен далее.

Геопортальная программная платформа представляет собой клиент-серверную систему, решающую задачу управления пространственно-распределенными системами.

Система обеспечивает реализацию следующих ключевых функций:

- визуализация пространственной информации в рамках цифровой карты геопортала с комбинированным послойным отображением наборов данных, подбором данных на основе фильтрации в зависимости от атрибутивных параметров, осуществление поиска информации;

- интеграция с компонентами Интернета Вещей для сбора данных о географических координатах и различных изменяющихся с течением времени параметрах, управление распределенными в пространстве устройствами посредством отправки управляющих команд, интерактивная аналитическая обработка (OLAP) консолидируемых пространственных данных;

- автоматизация процессов, анализируемых в рамках геопортальных систем с использованием инструментов автоматического принятия решений на основе программирования триггеров, рассылка оповещений ограниченному кругу адресатов;

- интерактивная генерация отчетной документации, экспорт данных в человеко-читаемые форматы и структуры данных для межмашинного взаимодействия;

- функционирование подсистемы администрирования, решающей задачи манипулирования пространственными данными.

Входные воздействия, обрабатываемые геопортальной системой: взаимодействие с пользователем системы через графический веб-интерфейс консолидации, обработки, анализа и мониторинга пространственных данных, интеграция с внешними системами на основе программных интерфейсов, в том числе компонентами Интернета вещей отечественных производителей.

Выходные реакции, обеспечиваемые системой в результате выполнения своих функций: послойная тематическая визуализация больших массивов растровых и векторных пространственных данных на цифровой карте, визуализация статистических агрегированных данных в рамках табличных интерфейсов, отправка управляющих команд для внешних систем и оповещений, генерация отчетной документации.

Геопортальная платформа для управления пространственно-распределенными ресурсами состоит из серверной части, на которой размещены программные модули. Для взаимодействия с системой посредством графического веб-интерфейса необходим компьютер или смартфон с установленным современным веб-браузером и доступом в интернет.

Количественные параметры, характеризующие работу системы:

1) время ответа сервера геопортальной системы не превышает 500 миллисекунд; время полной загрузки страницы не превышает 3 секунды;

2) периодичность обновления цифровой карты при визуализации динамических объектов - 1 секунда;

3) число статичных объектов, визуализируемый одновременно на цифровой карте - 12000, число одновременно отображаемых статичных тематических слоев - 150;

4) число динамичных объектов, визуализируемый одновременно на цифровой карте - до 1500, максимальное число одновременно отображаемых динамичных тематических слоев - 30;

5) число хранимых записей о пространственных данных - до 10 миллионов строк, возможное число полей группировки при выполнении аналитических запросов - 5;

6) число одновременно подключаемых устройств - 20;

7) число программируемых триггеров, срабатывающих при наступлении определенных пространственно-определяемых условий - до 50 (с минимальной периодичностью проверки наступления условия - 1 минута).

8) число пользователей системы (при условии одновременного использования системы) - 50.

Анализ значений математического ожидания и среднего квадратичного отклонения для тестируемых показателей показывает устойчивость алгоритмов, предсказуемость их поведения в разных условиях.

Компонентная структура геопортальной системы организована на основе архитектурного паттерна Модель-Вид-Контроллер, предполагающего разделение ключевых компонентов системы на сильно связанные и слабо зацепленные модули манипулирования данными, организации графических интерфейсов, и формирования программной логики системы. При разработке системы использовано открытое (в том числе отечественное) программное обеспечение.

Модификация геопортальной платформы должна основываться на основе двух стратегий.

1) Разработка «от общего к частному»: система изначально проектировался таким образом, чтобы качественно покрыть наибольшее количество вариантов использования системы, обеспечиваю при этом минималистичность и удобство геопортальных интерфейсов.

2) Разработка «от частному к общему»: на основе геопортальной программной платформы для управления пространственно-распределенными ресурсами реализованы пилотные проекты, решение конкретных проектных задач указывает направления развития базового решения.

Двунаправленный подход позволяет получить эффективное каркасное программное решение, способное решать реальные проектные задачи в организациях, деятельность которых связанных с использованием пространственно-распределенных ресурсов.

По сравнению с известным решением заявленное изобретение позволяет достичь увеличения скорости управления большими массивами пространственных данных о статических и динамических территориально-распределенных объектах на основе технологий визуализации больших массивов пространственных данных, обеспечения возможности гибкого масштабирования управляемых территориальных систем, тонкой настройки функций автоматизации, получения возможности развертывания нескольких геопортальных систем вокруг одной платформы.

Изобретение относится к области вычислительной техники. Технический результат заключается в увеличении скорости управления большими массивами пространственных данных о статических и динамических территориально-распределенных объектах. Технический результат достигается за счет геопортальной платформы для управления пространственно-распределенными ресурсами, которая включает программно-аппаратные подсистемы, размещенные на серверах и взаимодействующие между собой и компьютерами пользователей посредством каналов связи вычислительной сети. Упомянутые выше подсистемы включают в себя сеть управления пространственно-распределенными ресурсами, функционирующую на основе набора устройств интернета вещей, и геопортальную систему, включающую подсистемы визуализации пространственных данных, содержащую программный модуль цифровой карты, подсистему администрирования геопортальной системы, содержащую интерфейсы манипулирования пространственными данными в рамках нормализованного реляционного интерактивного хранилища, подсистему интерактивной генерации отчетной документации, подсистему интеграции с внешними системами, содержащую модуль подключения устройств разного типа в единую систему сети управления пространственно-распределенными ресурсами, подсистему интерактивной аналитической обработки, содержащую программный модуль визуализации консолидируемой информации на цифровой карте и в табличном виде, подсистему автоматизации процессов, содержащую инструмент программирования триггеров автоматизации в рамках графических интерфейсов пользователя. Также геопортальная система дополнительно содержит мультимодельное хранилище данных. 5 ил.

Геопортальная платформа для управления пространственно-распределенными ресурсами, включающая программно-аппаратные подсистемы, реализующие задачу хранения, обработки, анализа, визуализации пространственной информации о территориально-распределенных системах на основе графических интерфейсов пользователя и систем хранения данных, размещенных на серверах и взаимодействующих между собой и компьютерами пользователей посредством каналов связи вычислительной сети, отличающаяся тем, что упомянутые выше подсистемы включают в себя сеть управления пространственно-распределенными ресурсами, функционирующую на основе набора устройств интернета вещей, и геопортальную систему, включающую подсистемы визуализации пространственных данных, содержащую программный модуль цифровой карты, выполняющий алгоритм динамичного отображения больших массивов пространственных данных на основе асинхронной подгрузки площадных пространственных данных различных тематических слоев в рамках активного окна на основе критерия значимости, подсистему администрирования геопортальной системы, содержащую интерфейсы манипулирования пространственными данными в рамках нормализованного реляционного интерактивного хранилища, структура которого не привязана к существующим форматам хранения пространственных данных в геоинформационных системах, подсистему интерактивной генерации отчетной документации, содержащую алгоритм преобразования данных в открытый формат электронных документов, подсистему интеграции с внешними системами, содержащую модуль подключения устройств разного типа в единую систему сети управления пространственно-распределенными ресурсами, подсистему интерактивной аналитической обработки, содержащую программный модуль визуализации консолидируемой информации на цифровой карте и в табличном виде, подсистему автоматизации процессов, содержащую инструмент программирования триггеров автоматизации в рамках графических интерфейсов пользователя, срабатывающих при наступлении пространственных, статистических и параметрически определяемых условий и приводящих к целевым действиям, в том числе отправке управляющих команд и оповещений, подсистему рассылки оповещений, а также геопортальная система дополнительно содержит мультимодельное хранилище данных.