5
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………. ……..6
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ
ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ В РАЗЛИЧНЫХ СФЕРАХ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА……………………………………………….11
1.1. Понятие и сущность геоинформационной системы, её роль в различных
сферах деятельности человека………………………………………………….11
1.2. Современные подходы к использованию геоинформационной системы в
управлении безопасностью движения…………………………..……………...20
1.3. Применение геоинформационных технологий на железнодорожном
транспорте………………………………………………………………………..24
ГЛАВА 2. ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМ
ТРАНСПОРТОМ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА ПРИМЕРЕ
УЗКОСПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ СИСТЕМ……36
2.1. Достоинства и недостатки геоинформационных систем, используемых на
железных дорогах России……………………………………………………….36
2.2. Информационное и техническое обоснование необходимости создания
новой единой геоинформационной системы железных дорог...……………...45
ГЛАВА 3. ПОСТРОЕНИЕ БАЗОВЫХ АЛГОРИТМОВ ДЕЙСТВИЯ
ЕДИНОЙ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗНЫХ
ДОРОГ……………………………………………………………………..……..51
3.1. Общее экономическое обоснование внедрения единой
геоинформационной системы железных дорог………………………………..51
3.2. Описание модели и основных принципов действия будущей
системы…………………………………………………………………………...55
3.3. Математическая основа будущей единой геоинформационной системы
железных дорог…………………………………………………...…...................65
3.4. Разработка интерфейса и блок-схем алгоритмов действия единой
геоинформационной системы железных дорог…...…………………………...73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….84
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………………..87
ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………….................94
6
ВВЕДЕНИЕ
Железнодорожный транспорт сегодня является одним из важнейших
компонентов экономики России. В последние 10 лет на развитие и
модернизацию железных дорог затрачены колоссальные средства. Растут
скорости движения, сокращаются интервалы между поездами, обновляется
парк локомотивов и вагонов, увеличивается вес грузовых поездов.
Модернизация железнодорожного транспорта также идёт в цифровой
сфере. Создаются и развиваются информационные системы управления
перевозочным процессом, документооборота, работы с пассажирами и
грузоотправителями. Всё это требует от работников повышенной
концентрации внимания и быстроты принятия решения. Однако вместе с
увеличением интенсивности труда увеличивается и риск ошибок людей,
занятых в перевозочном процессе (так называемый человеческий фактор).
Последствия таких ошибок могут являться причиной техногенных катастроф
и человеческих жертв.
В связи с этим повышенное внимание уделено модернизации средств
контроля за безопасностью движения: уже сейчас массово эксплуатируются
локомотивные устройства контроля за соблюдения машинистом
установленных скоростей и требований сигналов светофоров; в хозяйстве
инфраструктуры созданы передвижные диагностические комплексы-
лаборатории для проверки исправности пути и контактной сети, в хозяйстве
движения используется цифровая автоблокировка и микропроцессорная
централизация управления станциями. Совместно с описанными
устройствами созданы и системы управления базами данных (далее – СУБД)
[43], обслуживающие данные устройства и являющиеся хранилищем
большого количества информации. Главным отличием железнодорожных
СУБД от геоинформационных систем общего пользования является то, что
информация железнодорожных СУБД сразу же используется для управления
технологическими процессами и контроля предельно допустимых
7
параметров, чего никогда не было в системах общего пользования, которые
предоставляли, хранили и обрабатывали только информацию. То есть
железнодорожные СУБД, обобщая внесённую информацию, задают
контрольные значения технологических процессов, которые отправляются в
локальные системы управления технологическими процессами (далее –
СУТП) [30] и исполняются ими.
Учитывая размер территории и протяжённость железных дорог России,
использование пространственных данных имеет гораздо бóльшую важность,
чем, например, на производственных предприятиях, так как приходится
контролировать технологические процессы громадных протяжённостей.
Именно поэтому железнодорожные ГИС включают в себя управляющую
информацию и выработку контрольных значений для регулирования
технологических процессов в масштабах целой страны.
Если внимательно рассмотреть созданные на железных дорогах СУБД,
то становится очевидным, что все они в той или иной степени многократно
обращаются к одним и тем же железнодорожным объектам: светофорам,
стрелкам, путям, переездам, платформам, мостам и т.д. При этом базы
данных СУБД могут как иметь пространственную привязку (например: в
локомотивных устройствах и диагностических комплексах пути и
контактной сети), так и не иметь её, отображая лишь железнодорожную
координату – километр, пикет, метр (например: база данных устройств
автоматики и телемеханики).
Многократное дублирование одних и тех же данных создаёт
неоправданные затраты на содержание СУБД, так как требуется
актуализация каждой из систем, очень часто невозможно связать одинаковые
данные друг с другом в разных СУБД. В то же время осталась совершенно
упущенной сфера актуализации и хранения технической документации, где
почти все работы до сих пор выполняются вручную специалистами
технических отделов. Поэтому создание СУБД, которая явилась бы
8
фундаментом для любых других СУБД и СУТП представляется весьма
актуальным, а, учитывая, что на железных дорогах России эксплуатируются
десятки миллионов объектов, результат такой работы, вне всякого сомнения,
будет востребован.
Создаваемая геоинформационная система имеет рабочее название
«Единая геоинформационная система управления безопасностью движения и
перевозочным процессом железных дорог». После защиты выпускной
квалификационной работы, совместно с техническими специалистами и
программистами АО «Научно-исследовательский и проектно-
конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на
железнодорожном транспорте» (далее – АО «НИИАС»), будет выполнена
полная детализация всех алгоритмов единой ГИС железных дорог и их
проверка программными средствами разработчика языка блок-схем
«Дракон» Паронджанова В.Д. [35], использование научных трудов которого
позволило облечь в понятную форму весьма сложные технологические
цепочки. Окончанием данной работы будет написание конверторов для
получения электронных карт и баз данных локомотивных устройств
безопасности движения, а также подпрограмм для автоматической
организации движения поездов, наполнение системы данными и внедрение в
ОАО «РЖД».
Цель исследования: разработка базовых алгоритмов действия единой
геоинформационой системы управления безопасностью движения и
перевозочным процессом железных дорог.
В ходе написания выпускной квалификационной необходимо решить
следующие задачи:
– раскрыть теоретические основы сущности геоинформационной
системы и определить её роль в различных сферах деятельности человека;
– провести обзор и анализ существующих геоинформационных систем
как общего пользования, так и специализированных железнодорожных;
9
– провести информационное и техническое обоснование
необходимости создания новой единой геоинформационной системы
железных дорог;
– разработать образ будущей СУБД;
– разработать интерфейс СУБД;
– построить базовые алгоритмы СУБД.
Объектом исследования в рамках настоящей работы являются
геоинформационные системы и возможность их использования на
железнодорожном транспорте.
Предметом исследования в настоящей работе является функционал,
требующийся для успешного функционирования геоинформационной
системы на железнодорожном транспорте, и базовые алгоритмы работы
программного обеспечения для достижения заданного функционала.
Информационная база исследования: нормативно-правовые акты
Российской Федерации, приказы ОАО «РЖД», руководства по эксплуатации
устройств безопасности движения, эксплуатируемых на железнодорожном
транспорте, данные разработчиков железнодорожных геоинформационных
систем, сведения из книг, ресурсы сети Интернет, собственный опыт автора.
При написании выпускной квалификационной работы в качестве
основных использовались научные труды следующих авторов: Ананьев Ю.С.
[26], Антонович К.М. [27], Игнатьев Ю.Г. [32], Паронджанов В.Д. [35],
Астрахан В.И., Зорин В.И., Кисельгоф Г.К. [28].
Методология исследования: рассмотрение общедоступных
геоинформационных систем и специализированных железнодорожных
геоинформационных систем, изучение научной литературы и
законодательно-нормативной базы в сфере геодезии, информатики и систем
безопасности работы железнодорожного транспорта, постановка научно-
технической проблемы, сравнение решений, описанных в научных трудах и
реализованных на практике с текущими запросами железнодорожного
10
транспорта на информатизацию своей работы, выработка нового решения по
информатизации работы железных дорог.
Практическая значимость работы: внушительная экономия средств,
повышение контроля за работой железнодорожного транспорта, устранение
противоречивости и задвоения информации, приведение к единообразию
форм и типов информации, переход от бумажной документации к
электронной, автоматизация рутинных процессов, создание мощной
информационной базы железных дорог для её последующего использования
искусственным интеллектом.
Структура работы: введение, теоретическая часть, аналитическая часть,
проектная часть, заключение, список использованных источников,
приложения.
11
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ
ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ В РАЗЛИЧНЫХ
СФЕРАХ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
1.1. Понятие и сущность геоинформационной системы, её роль в
различных сферах деятельности человека
Идея создания спутниковой навигации родилась ещё в 1950-е годы. В
тот момент, когда в СССР был запущен первый искусственный спутник
Земли, американские учёные во главе с Ричардом Кершнером наблюдали
сигнал, исходящий от советского спутника, и обнаружили, что
благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается
при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть открытия
заключалась в том, что если точно знать свои координаты на Земле, то
становится возможным измерить положение и скорость спутника, и
наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственную
скорость и координаты.
В 1973 году было начато создание системы GPS (англ. Global
Positioning System — система глобального позиционирования).
В 1993 году на орбиту был выведен последний из 24-х спутников,
необходимых для полного покрытия земной поверхности (рисунок 1).
Основной принцип использования системы – определение
местоположения путём измерения моментов времени приёма
синхронизированного сигнала от навигационных спутников антенной
потребителя. Для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно
иметь четыре уравнения: «расстояние равно произведению скорости света на
разность моментов приёма сигнала потребителем и момента его синхронного
излучения от спутников»: |x – aj| = c(tj – τ). Здесь: aj – местоположение j-го
спутника, tj – момент времени приёма сигнала от j-го спутника по часам
потребителя, τ – неизвестный момент времени синхронного излучения
12
сигнала всеми спутниками по часам потребителя, c – скорость света, x –
неизвестное трёхмерное положение потребителя [40].
Рисунок 1 – Орбиты спутников системы GPS
Источник: Википедия
Работы по созданию советской, а затем российской глобальной
навигационной спутниковой системы (ГЛОНАСС) официально начаты в
1976 году.
В 1995 году группировка спутников развёрнута до штатного
количества – 24 спутника.
Однако уже к 2001 году из-за недостаточного финансирования и
непродолжительного срока службы спутников (5–6 лет) их количество на
орбите сократилось до 6-ти.
Полностью восстановить группировку спутников ГЛОНАСС удалось
лишь в 2010 году [47].
28 декабря 2005 года на орбиту был выведен первый спутник
европейской системы GALILEO. На начало 2020 года система насчитывает
18 спутников, количество которых в будущие годы планируется довести до
30-ти [46].
Запуск первого спутника китайской спутниковой навигационной
системы Бэйдоу (Beidou) произведён 30 октября 2000 года. На начало 2020
года система насчитывает 32 спутника, из которых в действии – 21 [44].
«Космическая геодезия», как наука, начала своё существование сразу
вслед за появлением первых искусственных спутников Земли. В течение
первых 30 лет применение спутниковой геодезии было чисто научным.
13
Коренной перелом в космической геодезии был совершён с появлением
радионавигационных систем второго поколения: американской GPS
(NAVSTAR) и советской ГЛОНАСС. Уже первые практические результаты
геодезических измерений, проведённых с помощью аппаратуры, работающей
по сигналам спутниковой радионавигационной системы,
продемонстрировали точности, превышающие точности классической
геодезии. Несмотря на то, что спутниковые средства геодезии требуют
хорошего обзора горизонта для беспрепятственного получения спутникового
сигнала, из-за чего их невозможно использовать под землёй, внутри зданий, в
плотной высотной застройке и густом лесу, в остальных случаях стало
возможным в одну единицу времени получать четыре измерения:
географические широту и долготу, высоту над уровнем моря и точное
время, – и, кроме этого, проводить измерения координат в движении [27].
С развитием спутниковой навигации и повышением точности наземных
измерений открылась обширная область использования спутниковых
технологий в информационных компьютерных системах.
Задачи и подходы к построению информационных систем,
ориентированных на обработку пространственных данных, впервые
сформулированы коллективами учёных и разработчиков из Канады и
Швеции. Канадские работы были связаны с созданием в 1963–1971 гг.
Канадской геоинформационной системы (CGIS) под руководством
Р. Томлинсона. CGIS является одним из примеров крупной универсальной
(по тем временам) региональной геоинформационной системы (далее – ГИС)
национального уровня. Работы шведов концентрировались вокруг ГИС
земельно-учётной специализации, в частности, Шведского земельного банка
данных, предназначенного для автоматизации учёта земельных участков
(землевладений) и недвижимости. Учёными этих коллективов были
сформулированы оригинальные идеи, которые позволили заложить в основу
этих ГИС фундаментальные принципы. Так, главный принцип, который
14
позволил выделить ГИС из СУБД общего назначения, заключался во
введении в число атрибутов объекта признака пространственных координат,
независимо от того, в какой бы форме местоуказания он ни выражался.
В России до конца 80-х ГИС разрабатывались Министерством
Обороны и поэтому были закрытыми.
С конца 80-х – начала 90-х началось развитие ГИС в России. Сначала
развивались специализированные ГИС. В начале 90-х появились первые
Российские коммерческие ГИС, и сразу же начался «наплыв» импортных
ГИС [26].
Геоинформационные системы включают в себя 5 ключевых
составляющих:
– аппаратные средства;
– программные средства;
– данные;
– исполнители (технические специалисты и пользователи системы);
– методы (правила работы).
ГИС общего назначения как правило выполняет 5 типов задач:
– ввод данных;
– манипулирование данными;
– управление;
– запрос и анализ;
– визуализация [37].
Главным применением ГИС является картография, где из
общедоступных систем наиболее известны в России Google Earth,
Яндекс.Карты и 2ГИС.
Google Earth [48] представляет из себя созданную в США
пользовательскую программу с доступом через интернет к регулярно
обновляемой базе данных картографической информации и снимков