bigpo.ru
добавить свой файл
1 2 3
Модель геоинформационных систем


СОДЕРЖАНИЕ





стр.


ПЕРЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ





ВВЕДЕНИЕ










1. Модели в геоинформационных системах.

1.1. Модель данных в ГИС.

2.2. Модель беспроводной системы связи.

1.3. Построение ГИС модели на основе продукционных систем




2.Структура геоинформационной системы по планированию связи.

2.1. Структура сетевой геоинформационной системы.

2.2. Структура однопользовательской геоинформационной системы





ЗАКЛЮЧЕНИЕ





СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ







Введение


В условиях усложнения проектируемых систем связи, сокращения сроков, отводимых на их создание, возрастает роль автоматизации планирования систем – широкого применения информационных систем на разных этапах их проектирования.

Поэтому важным направлением планирования систем связи является применение методов моделирования систем связи, а также оптимизации систем связи на вычислительных средствах. При этом математические модели разных вариантов систем связи программно реализуются на ЭВМ, а затем на смоделированных выборках заданных сигналов и помех методом статистических испытаний оцениваются требуемые показатели качества систем.

В результате этого множество допустимых систем связи представляется в критериальном пространстве оценок показателей качества, где затем решается задача векторной оптимизации – выбора систем связи, оптимальных по совокупности показателей качества. Для выполнения указанных проектных процедур целесообразно применение геоинформационных систем планирования и оптимизации систем связи. Эти геоинформационные системы представляют собой системы автоматизированного проектирования, которые могут быть использованы на различных этапах планирования и управления системами связи.

Достоинства геоинформационных систем очевидны, так как каждое решение должностного лица органа управления любого уровня связано с пространственным расположением. Исторически, такие решения, как на стратегическом, так и на тактическом уровнях, поддерживались бумажными картами, и топографические службы направляли свои усилия на сбор пространственных данных, отображение их в виде картографических продуктов, производство и распространение карт на театры военных действий. Однако сейчас ситуация существенным образом изменилась. Цифровое поле боя или электронное поле боя - новый термин, появившийся в последнее время, охватывает цифровую картографическую информацию непосредственно по полю боя и средства ее эксплуатации в виде собственно самой ГИС. Электронное поле боя – серьезный качественный скачок в части применения ГИС для тактических операций. ГИС дает возможность создавать информационные продукты, отображающие информацию, точно соответствующую потребностям пользователя. Кроме того, нельзя не учитывать тот факт, что ГИС системы дают новые возможности 3D визуализации картографической информации, недоступные для бумажных карт.

Должностные лица, занимающиеся вопросами логистики, извлекут огромную пользу из ГИС. Задачи логистики связаны с крайне сложными проблемами размещения средств связи в нужном месте в нужное время. Для решения этих задач ГИС является ключевой технологией. ГИС технологии интегрируют пространственные данные из большого количества источников на всех уровнях и используются для получения картографической информации, информации о месторасположении и текущем состоянии.


1. Модели в геоинформационных технологиях


Оптимальная модель является удобным и эффективным инструментом анализа характеристик планируемой системы связи. Хорошая модель, адекватно описывающая любую систему, позволяет изучить его поведение как в типовых, так и в критических ситуациях. Кроме того, наличие модели объекта позволяет легко изменять его параметры, что в реальности может оказаться сопряжено с большими временными и материальными затратами.

Таким образом, хорошая, адекватно описывающая исследуемую систему, модель позволяет с минимальными временными и материальными затратами находить оптимальные решения .

Модель– материальный или абстрактный объект, имеющий сходство в определенных отношениях с оригиналом и служащий для исследователя средством фиксации известной и получения новой информации о нем (об оригинале).


Основные требования к моделям:

1.Объективное отображение оригинала (адекватность).

2.Соответствие цели исследования.

3.Максимальная простота использования.


Одной из основных целей моделирования является поиск оптимальных (или близких к оптимальным) решений. Но для этого необходимо количественно обосновать выбор, т.е. при планирование не обойтись без математических моделей.

Математическая модель – представляет собой формальное описание объекта с использованием различных математических соотношений.

Математическими моделями являются - формулы, уравнения, матрицы, графы, схемы. Они позволяют оценивать решения и обеспечивают поиск оптимальных решений. Таким образом, основное предназначение математического моделирования – количественное обоснование принимаемых решений.


В общем виде математическую модель можно представить следующим образом:


U = F (x, y)  extr,


i (x, y) >=< 0, i = 1,K,

где:

x – управляемые характеристики;

y – неуправляемые характеристики;

F – целевая функция;

 - ограничения (условия).


Особенно велика роль математического моделирования в геоинформационных системах при планирование связи. Здесь математические модели позволяют с достаточной полнотой и точностью описывать и наиболее существенные процессы, присущие системам связи, оценивать эффективность вариантов решений.


Преимуществами математического моделирования являются:


  • неизменность результата при одинаковых исходных данных;

  • высокая точность, которую, в принципе, можно свести к точности исходных данных;

  • стабильность и определенность процедур моделирования;

  • высокая скорость моделирования.


Современные геоинформационные системы проектирования систем связи относятся к классу сложных, и обладают следующими чертами:


  • высокой размерностью,

  • многосвязностью элементов,

  • многообразием природы элементов и видов связей между ними,

  • изменчивостью структуры, большим числом возможных состояний,

  • разнообразием выполняемых функций и структурной избыточность.


Для адекватного представления системы связи в ГИС системах необходим уровень представления, называемый концептуальным уровнем.

Под концептуальной моделью следует понимать абстрактную модель, содержащую описание: принципов построения, структуры системы, анализ существенных свойств этой системы на предмет соответствия требованиям, а также основные вопросы организации управления ею в процессе функционирования.


Следовательно, в концептуальной модели системы связи в ГИС должны иметься следующие компоненты:

  1. предназначение (цель функционирования) системы связи;

  2. принципы ее построения и функционирования;

  3. общая структура (состав элементов системы и среды, взаимосвязей и их характеристик);

  4. существенные свойства системы и процесса, реализуемого ею;

  5. показатели и требования, предъявляемые к значениям этих показателей;

  6. механизм функционирования системы и ее взаимодействия со средой.

Концептуальная модель является первым шагом на пути формализации планируемой системы. Следующий шаг – уже разработка математической модели. То есть концептуальное моделирование является связующим звеном между содержательным и математическим моделированием.


При построение адекватной модели системы связи, следует основываться на следующие принципы построения моделей:


1.Принцип соответствия модели цели исследования (решаемой задачи).

2.Принцип соответствия между сложностью и точностью результатов, или как еще по-другому называют этот принцип: упрощение при сохранении необходимых существенных свойств.

3.Принцип баланса погрешностей различных видов.

4.Принцип модульности построения.

5.Принцип открытости

6.Принцип удобства пользования моделью, а следовательно, и востребовательностью системы проектирования.


Создание модели системы связи требует конкретизации характера ее применения и условий функционирования, так как для одной и той системы можно построить множество различных моделей. Они будут отличаться степенью детализации, степенью учета тех или иных особенностей (например, режимов функционирования реального объекта, видом проводимой операции), отражать какую-то определенную грань сущности системы, и что самое главное – ориентироваться на исследование только определенного свойства или группы свойств системы. Поэтому важно четко сформулировать цель моделирования уже на начальном этапе построения модели. При этом рекомендуется учитывать тот факт, что модель необходимо строить для решения конкретной задачи исследования. Опыт создания моделей на все случаи жизни не оправдал себя ввиду громоздкости этих универсальных моделей и их практической не пригодности к применению.

Модель имеет определенную схожесть с оригиналом, т.е. носит приближенный характер. Поэтому, следует найти компромисс между степенью сложности модели и ее адекватностью моделируемому объекту. При проектирование моделей определенной сложности, необходимо стремиться к обеспечению максимальной точности результатов моделирования.


Для снижения сложности проектированных моделей следует:

1.Уменьшить число характеристик, возмущающих факторов.

2.Измененить природу характеристик системы.

С целью упрощения создаваемой модели и процесса исследования на ней допускается рассматривать некоторые переменные параметры в качестве постоянных, дискретные – в качестве непрерывных и наоборот.

3.Измененить функциональную зависимость между характеристиками.

Нелинейная зависимость обычно заменяется линейной, дискретная функция – непрерывной.

4.Измененить ограничения.

При снятии ограничений процесс получения решения, как правило, упрощается, а само решение носит в таком случае “оптимистичный” характер. И, наоборот, при введении ограничений получить решение оказывается значительно сложнее. Причем решение тогда носит “пессимистичный” характер.


Основными видами погрешностей является:

1.Погрешность метода.

При планировании моделей, сделанные допущения и ограничения по учитываемым в модели факторам упрощают саму математическую модель системы связи и, естественно, делают ее приближенной, что в результате как раз и дает погрешность метода. Оценить данную погрешность можно либо путем сравнения результатов моделирования с опытными данными, либо с результатами, полученными с помощью других моделей.

2.Остаточная погрешность.

Если какую-либо функцию, отражающую суть происходящих в системе процессов, можно представить только в виде бесконечных последовательностей или рядов, то для целей моделирования число членов ряда, естественно, будет ограничено. Из-за такого ограничения и появляется остаточная погрешность.

3.Начальная погрешность.

Вносится погрешностью определения значений исходных данных.

4.Погрешность округления и др.

При проектирование оптимальной модели необходимо пользоваться следующими рекомендациями. Точность вычислений должна соответствовать точности исходных данных, а точность самих исходных данных – той практической потребности, для которой нужен результат моделирования и сама модель в целом.

Модульность построения значительно “удешевляет” процесс создания моделей, т.к. позволяет использовать накопленный опыт реализации типовых элементов. Кроме того, такая модель легко поддается модификации.

Открытость модели предполагает возможность включения в ее состав новых программных модулей, необходимость в которых может выявиться в ходе исследования и в процессе совершенствования модели.

Под удобством пользования понимается удобство ввода-вывода, удобство и простота интерпретации результатов и т.д.


Проектируя ГИС для планирования систем связи моделирования условно можно разбить на ряд этапов:

Первый этап включает в себя:

  • уяснение целей исследования,

  • места и роли модели в процессе системных исследований систем управления военного назначения,

  • формулирование и конкретизацию цели моделирования,

  • постановку задачи моделирования.

Второй этап – разработки модели. Начинается он с содержательного описания моделируемого объекта и заканчивается программной реализацией модели.

На третьем этапе проводится исследование модели, заключающееся в планировании и проведении на ней экспериментов.

Четвертый этап - завершается процесс моделирования анализом и обработкой результатов моделирования, выработкой предложений и рекомендаций по использованию результатов моделирования на практике.


Следующим этапом создания модели является разработка собственно математической модели объекта. Разработка математической модели преследует две основные цели:

во-первых, дать формальное описание структуры и процесса функционирования исследуемого объекта;

во-вторых, попытаться представить процесс функционирования в виде, допускающем аналитическое или алгоритмическое исследование объекта.

Следует отметить, что конкретный математический аппарат, используемый для моделирования, конкретный вид целевой функции и ограничений определяются существом решаемой задачи.

Исследование разработанной математической модели (третий этап) может быть проведено различными методами – аналитическими, численными, “качественными”, имитационными.

Аналитические методы исследования применяются обычно для первоначальной грубой оценки характеристик объектов, а также на ранних стадиях проектирования систем. Но основная часть реальных систем связи военного назначения не поддаются исследованию аналитическими методами, т.к. их нельзя представить в виде явных аналитических зависимостей. Для исследования таких объектов могут быть применены численные и имитационные методы. При этом математическая модель представляется либо в виде системы уравнений, допускающей решение численными методами, либо в виде алгоритма, имитирующего процесс функционирования объекта.

Если полученные уравнения нельзя решить ни аналитическими, ни численными, ни имитационными методами, то прибегают к использованию так называемых “качественных” методов. Эти методы позволяют оценить асимптотические значения искомых величин, их устойчивость, а также судить о траектории поведения системы в целом. К таким методам относят методы математической логики, ряд методов искусственного интеллекта (например, экспертные) и др.

Исследование реального объекта с помощью математической модели ведется, главным образом, с помощью средств вычислительной техники. При этом одну и ту же математическую модель можно реализовать на ЭВМ с помощью различных алгоритмов. Все эти алгоритмы будут различаться точностью результатов, временем расчета, объемом занимаемой памяти ЭВМ и др. Естественно, что исследователю нужен алгоритм, обеспечивающий моделирование с требуемой точностью результатов и минимальными затратами модельного времени и других ресурсов. В результате же математическая модель должна быть представлена в виде пакета программ. То есть, необходимо выбрать средства программирования модели, определить требуемые ресурсы на написание и отладку программы.

Но прежде, чем приступить к проведению эксперимента на модели необходимо подготовить исходные данные. Понятно, что этот процесс подготовки начинается еще на этапе разработки концептуальной модели. Очевидно, что достоверность результатов моделирования однозначно зависит от точности и полноты исходных данных.

Конечные цели моделирования достигаются путем исследования разработанной модели, которое заключается в проведении эксперимента с моделью с целью определения всех необходимых характеристик системы. Эксперименты с моделью, как правило, проводятся по определенному плану. Это вызвано тем, что при ограниченных вычислительных и временных ресурсах обычно не представляется возможным провести все эксперименты. Поэтому возникает необходимость в выборе определенных сочетаний параметров и последовательности проведения эксперимента, т.е. ставится задача построения оптимального плана. Процесс разработки такого плана называется стратегическим планированием.

Анализ результатов моделирования позволяет уточнить множество параметров модели, а, следовательно, и уточнить саму модель. Это может привести к значительным изменениям первоначального вида как концептуальной модели, так и самой математической модели.

Завершающим этапом моделирования является перенос результатов моделирования на реальный объект – оригинал. В конечном счете, результаты моделирования обычно используются для принятия решения о работоспособности объекта, прогнозирования его поведения, для оптимизации объекта и т.д. Решение о работоспособности принимают по тому, выходят или не выходят характеристики объекта за установленные границы при любых допустимых изменениях характеристик. Прогноз, как правило, является главной целью моделирования. Он заключается в оценке поведения оригинала в будущем при определенном сочетании его управляемых и неуправляемых характеристик. Оптимизация же представляет собой определение такой стратегии поведения системы с учетом среды, при котором достижение цели функционирования обеспечивалось бы при наименьшем расходе ресурсов.

Требование адекватности, как уже отмечалось, находится в противоречии с требованием простоты и это нужно постоянно помнить при проверке модели на адекватность. Здесь уместно напомнить причины неадекватности модели и оригинала. Это – идеализация внешних условий и режимов функционирования, исключение тех или иных параметров, пренебрежение некоторыми случайными факторами. Кроме того, отсутствие точных сведений о внешних воздействиях, определенных особенностях структуры и процесса функционирования системы, принятые способы аппроксимации и различного рода гипотезы также ведут к уменьшению соответствия между моделью и оригиналом. На практике такую проверку производят несколькими способами:

  1. сравнение результатов моделирования с экспериментальными результатами на реальном объекте;

  2. использование других близких (аналогичных) моделей;

  3. экспертные оценки и др.

По результатам проверки на адекватность делаются выводы о пригодности модели к проведению экспериментов, о ее корректировке или полной переработке. При этом очень важно помнить, что оценку адекватности модели необходимо проводить на каждом этапе моделирования, начиная с этапа постановки задачи на моделирование и заканчивая этапом корректировки и оптимизации модели системы связи.



следующая страница >>