Формализованное описание пространственной информации в составе трехмерных моделей потенциально опасных объектов на основе теоретико-множественного подхода

Информационные комплексы и системы

Павлов С.В.

Pavlov S.V.

доктор технических наук, профессор кафедры «Геоинформационные системы» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа

Ефремова О.А.

Efremova O.A.

кандидат технических наук, доцент кафедры «Геоинформационные системы» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа

Соколова А.В. Sokolova A. V.

аспирант кафедры «Геоинформационные системы» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа

УДК 004:528

ФОРМАЛИЗОВАННОЕ ОПИСАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ В СОСТАВЕ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ТЕОРЕТИКО-МНОЖЕСТВЕННОГО ПОДХОДА

В статье рассмотрена проблема совместного описания разнородной пространственной информации в составе трехмерных моделей потенциально опасных объектов.Определены виды пространственных объектов необходимых для построения трехмерной модели потенциально опасного объекта и модели их компьютерного представления.В качестве одного из подходов к решению рассмотренной проблемы предложен метод совместного описания пространственной информации в составе трехмерной модели потенциально опасного объектана основетеоретико-множественного подхода. Разработанный метод описывает в едином формализованном виде множество разнородных объектов реального мира, необходимых для построения трехмерной модели потенциально опасного объекта, что позволяет осуществить совместное представление и использование разнородной пространственной информации для поддержки принятия решений, как в повседневной деятельности, так и при возникновении чрезвычайной ситуации.

На основе предложенного метода разработан алгоритм построения трехмерной модели потенциально опасного объекта и его программная реализация. В качестве одного из примеров программной реализации предложенного алгоритма построения трехмерной модели потенциально опасного объекта представлено развитие чрезвычайной ситуации на территории резервуарного парка позволяющее обеспечить поддержку принятия решений в случае разлива нефти на его территории.

Ключевые слова:метод описания, пространственная информация, трехмерная модель, потенциально опасный объект,теоретико-множественный подход.

formalized description of the spatial information within

THREE-DIMENSIONAL MODELS OF POTENTIALLY DANGEROUS OBJECTSON

THE BASIS SET-THEORETIC APPROACH

The article examines the problem of the combined description of the different spatial information in the three-dimensional models of potentially dangerous objects. One of solutions this problemis proposed method of the combined description of the spatial information within the three-dimensional model of potentially dangerous object on the basis of the set-theoretic approach. The construction algorithm of three-dimensional model of potentially dangerous object has been developed on the basis proposed method.

The article examines the problem of the combined description of the different spatial information in the threedimensional models of potentially dangerous objects. Types of spatial objects are defined necessary for creation a

66

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 10, 2014

Data processing facilities and systems

three-dimensional model of a potentially dangerous object models and their computer representation. One of solutions this problemis proposed method of the combined description of the spatial information within the three-dimensional model of potentially dangerous object on the basis of the set-theoretic approach. In uniform the formalized form, the developed method describesset of diverse objects of the real world necessary for creation of three-dimensional model of potentially dangerous object that allows to carry out joint representation and use of diverse spatial information for decision-making support, both in daily activity, and in the event of an emergency.

On the basis of the proposed method has been developed an algorithm for constructing a three-dimensional model of a potentially dangerous object and its implementation. As one of examples of program realization of this algorithm,it is presented development of an emergency situation in the territory of reservoir park allowing to provide decision-making support in case of oil spill in its territory.

Key words:description method, spatial information, three-dimensional model, the potentially dangerous object, set-theoretic approach.

Введение

С развитием промышленности и научнотехнического прогресса возрос масштаб техногенных катастроф, связанных с эксплуатацией потенциально опасных объектов, на которых используют, производят, перерабатывают, хранят или транспортируют радиоактивные, пожаро- и взрывоопасные вещества, представляющие угрозу возникновения чрезвычайных ситуаций. Аварии на потенциально опасных объектах могут возникать в результате внутренних и внешних причин, таких как нарушение правил эксплуатации объектов, технологических процессов при работе с опасными веществами, износ оборудования, стихийные бедствия, человеческий фактор, террористический акт, и приводить к таким нежелательным последствиям, как взрыв, пожар, радиационное заражение и экологическая катастрофа.

Чрезвычайная ситуация возникает неожиданно, развивается спонтанно и может сопровождаться не только материальными, но и огромными людскими потерями, поэтому в случае аварий на потенциально опасных объектах очень важно быстро и правильно принять решение по их ликвидации.

В связи с этим и согласно Приказу Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС РФ) от 28 февраля 2003 г. N° 105 «Об утверждении Требований по предупреждению чрезвычайных ситуаций на потенциально опасных объектах и объектах жизнеобеспечения», в рамках осуществления комплекса мероприятий по уменьшению риска возникновения чрезвычайных ситуаций техногенного характера на потенциально опасных объектах, в том числе в рамках повышения информированности специальных служб о состоянии объектов повышенного риска, формируется банк данных по потенциально опасным объектам, представляющий собой систематизированный перечень сведений о них и включающий картографические данные (векторные карты, топографические планы, данные дистанционного зондирования Земли, ре-

зультаты моделирования) об объекте.

Исходя из того, что плоские чертежи и двумерные карты не позволяют всесторонне рассмотреть особенности местности и планировку территории потенциально опасного объекта (с расположением всех ключевых объектов и коммуникаций), а также увеличивают время оценки обстановки в случае возникновения экстренной ситуации, что в свою очередь влияет на оперативность принимаемых решений, в соответствии с рекомендациями МЧС России от 25 февраля 2009 № 2-4-60-3-28 на каждый объект, несущий потенциальную угрозу, разрабатывается трехмерная модель (геоизображение), которая является составной частью картографического обеспечения Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий [1].

Опыт разработки трехмерных моделей показал, что при их создании целесообразно использовать геоинформационные технологии, так как современные геоинформационные системы поддерживают трехмерное представление пространственной информации о территории объекта (накопленной в базах данных МЧС), обеспечивают интеграцию разнородной и разнотипной пространственной информации, а также позволяют решать аналитические и прогнозные задачи по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций на потенциально опасном объекте [2, 3]. Трехмерные геоинформационные системы содержат информацию обо всех ресурсах территории, таких как земельные участки, здания и сооружения, подземные и наземные коммуникации и др., которые отображают пространственное местоположение объемных объектов относительно поверхности земли и друг друга, а также различную описательную информацию и широко используются при создании ситуационных центров управления территориями.

Геоинформационная система с поддержкой возможности трехмерной визуализации (далее трехмерная модель) дает наиболее полное представление о территории объекта, несущего потен-

Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 10, 2014

67

Информационные комплексы и системы

циальную угрозу, и может быть использована для:

• разработки планов действий по проведению аварийно-спасательных и других неотложных работ в чрезвычайных ситуациях;

• оперативного анализа и прогнозирования возможного характера распространения опасного явления с последующим принятием оптимальных решений на проведение аварийно-спасательных работ по ликвидации и минимизации ущерба;

• оценки возможности возникновения новых аварий на коммуникациях и объектах, расположенных в непосредственной близости к объекту, на котором развивается чрезвычайная ситуация;

• мониторинга контроля состояния объектов и их технологических систем с целью предотвращения чрезвычайной ситуации;

• прогнозирования и диагностирования рисков возникновения чрезвычайных ситуаций;

• моделирования различных сценариев развития чрезвычайных ситуаций и мер по их ликвидации;

• дистанционного обучения сотрудников Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий и персонала предприятия мерам предотвращения, ликвидации и оценки последствий чрезвычайной ситуации.

В качестве основных видов пространственных объектов, необходимых для построения трехмерной модели потенциально опасного объекта и модели их компьютерного представления, могут быть выделены:

1. Рельеф местности, который может быть представлен в виде триангуляционных сетей или растровой поверхности.

2. Инженерные коммуникации:

• трубопроводы, линии связи и электропередачи, кабельная эстакада, которые могут быть представлены в виде векторных линейных объектов;

• запорная арматура трубопроводов, опоры линий электропередачи, молниеотводы, расстановка техники при ликвидации чрезвычайной ситуации, которые могут быть представлены в виде векторных точечных объектов.

3. Здания и сооружения:

• здания, технические сооружения, емкости, резервуары, оборудование на резервуаре и нефтепроводе, дороги, которые могут быть представлены в виде векторных полигональных объектов и объектов мультипатч.

4. Схемы эвакуации с территории объекта и его помещений, космические снимки, представленные в растровом формате.

5. Атрибутивная информация об объектах, расположенных на территории потенциально опасного объекта.

С целью создания наиболее приближенной к реальности трехмерной модели потенциально опасного объекта необходимо обеспечить интеграцию всех видов пространственных объектов, находящихся на его территории, которые в свою очередь могут быть представлены в векторном или растровом формате, а также в виде триангуляционных сетей.

Для решения данной проблемы необходимо разработать метод совместного описания разнотипной информации (пространственной, атрибутивной) о техническом состоянии потенциально опасного объекта, основанный на формализации представления объектов, входящих в его состав, и позволяющий в единой математической форме описать объекты, входящие в состав трехмерной модели.

Метод совместного описания разнотипной информации в составе трехмерной модели потенциально опасного объекта

В соответствии с определенными выше вариантами компьютерного представления пространственных объектов трехмерная модель потенциально опасного объекта (М3ПОО) может быть описана следующим образом:

^ПОО Фвект} U {^растр} U ^тризна

где D3^ - растровая модель данных, описывающая множество пространственных объектов, представленных в виде растров. Данная модель представления пространственных данных в трехмерной модели потенциально опасных объектов может быть использована для отображения спутникового снимка (драпированных космоснимков), планов эвакуации с территории или из помещения (рис. 1а). В свою очередь растровая модель данных представляет собой совокупность ячеек (Ncell), которую можно описать следующим отношением:

^растр {Ncen}.

^триан- модель данных о поверхности земли, хранящаяся в виде триангуляционных сетей (рис. 1б), которые образуются гранями (М3гран), узлами (М3верш) и ребрами (М3ребр) в трехмерном пространстве:

^триан {^гран' МверШ, Mpegp|.

D3 - векторная модель данных, описываю-

щая информацию о трехмерных объектах, расположенных на территории потенциально опасного объекта (коммуникации, сооружения, рельеф и т. д.), хранимая в базе геоданных в виде классов пространственных объектов и включающая в себя атрибутивную и пространственную информацию.

^вект {^атриб» ^прост},

где

^атриб {атр1# атр2,... атрп} - множество атрибутивной информации, которая отображает характеристики объектов предприятия;

68

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 10, 2014

Data processing facilities and systems

^прост = (хрУр zi) - характеризует пространственное расположение объектов предприятия и может быть представлена в виде точечных (5), линейных (6) и полигональных объектов (7), а также объектов мультипатч (8), описываемых совокупностью координат в пространстве.

KP = {

где Кр - точечные объекты, расположенные в про-

кро, = {{{(хГ1, уГ1 , zf01 )}ч}J.

где Кро1 - полигональные объекты (емкости, резервуары, дороги, разливы нефти, плоские зоны поражения); про1 - количество полигональных объектов;

КМРа, = {{{{(x"Pat,y“Pat,Z«Pa')}, Ц}.

где KMPat - объекты мультипатч (здания, вспомогательные сооружения, оборудование на нефтепроводе и резервуаре, зоны поражения); nMPat - количество объектов мультипатч; b - количество полигонов в j-м объекте мультипатч; cq - количество линий в q-м полигоне; at - количество вершин в t-й линии.

Предложенный метод позволяет описать с единых методических позиций трехмерную модель потенциально опасного объекта, определить ее состав и модель представления в компьютерном виде, что в свою очередь необходимо для построения корректной трехмерной модели объекта, несущего потенциальную угрозу.

Алгоритм построения трехмерной модели потенциально опасного объекта

Трехмерная модель потенциально опасного объекта позволяет повысить оперативность предоставления информации для поддержки принятия решений по управлению объектом, несущим потенциальную угрозу, и разрабатывается на основе данных, полученных от предприятия, эксплуатирующего данный объект.

Процесс моделирования можно представить в виде совокупности следующих этапов [4]:

1. Проектирование функциональной и информационной моделей с учетом производственных задач, решаемых с помощью трехмерных моделей, и особенностей программной платформы, выбранной для реализации трехмерной модели.

2. Сбор исходной информации, на основе которой разрабатывается база пространственных данных трехмерной модели:

• фото- и видеосъемка оборудования, зданий, сооружений;

• сбор документации (планы территории

странстве (запорная арматура трубопровода, опоры линий электропередачи, силы и средства ликвидации чрезвычайных ситуаций); np - количество точечных объектов.

Ki= {{О^у^Д}* j = ч = i/bj,

где К1 - линейные объекты (трубопроводы, кабели, ограждения); n: - количество линейных объектов; bj - количество вершин в j-й линии.

j = 1, npol, q = l,bj, t = Т7с^,

b- количество линий в j-м полигоне; C - количе-

j q

ство вершин в q-й линии.

j = 1,nMPat, q = l/bj", t = Т7с^ m =

предприятия, планы тушения пожаров, технические паспорта зданий и сооружений, схемы эвакуации, проектная документация на реконструкцию и капитальный ремонт, технологические схемы).

Следует отметить, что план территории предприятия, как правило, не является точной моделью текущего состояния инженерных сетей, что связано в первую очередь с регулярными изменениями и обновлением технической базы предприятий, поэтому для актуализации информации в них используется информация из проектной документации о реконструкции объектов инженерных сетей.

3. Пространственная привязка планов территории и проектной документации.

Так как основными источниками пространственных данных о моделируемом потенциально опасном объекте являются генпланы территории объекта и проектно-сметная документация (которые не содержат информацию о местоположении на поверхности Земли), то для оптимизации процесса наполнения базы пространственных данных информацией об объектах территории потенциально опасного объекта целесообразно сначала осуществить пространственную привязку планов и их совмещение.

4. Преобразование данных планов в формат ГИС.

Данный этап разработки очень важен, так как

ошибки и недоработки, допущенные при создании базы пространственных данных, в дальнейшем могут привести к некорректному отображению пространственной информации.

5. Построение цифровой модели рельефа.

При создании фотореалистичной сцены необходимо раздельно формировать модели поверхности территории и трехмерных объектов, расположенных относительно этой поверхности (над, под

Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 10, 2014

69

Информационные комплексы и системы

и на ней). Методика построения цифровой модели рельефа определяется имеющимся программным обеспечением и источниками информации.

6. Разработка трехмерных моделей зданий, сооружений, объектов инженерных коммуникаций.

В соответствии с информацией из технических паспортов или иной документации (в которой указаны размеры) разрабатываются трехмерные модели объектов инженерных сетей, зданий и сооружений.

7. Включение в трехмерную сцену объектов инфраструктуры, зданий и других элементов.

Создание истинной трехмерной сцены осуществляется после добавления на построенную цифровую модель рельефа трехмерных объектов -зданий, сооружений, специального оборудования и других трехмерных объектов, присутствующих на моделируемой территории и созданных на предыдущем этапе.

8. Сбор и внесение атрибутивной информации (номера запорной арматуры трубопроводов, диаметры трубопроводов, тип кабелей, виды молниеотводов и т. д.) в базу пространственных данных из полученной документации.

9. Редактирование объектов базы геоданных в пространстве.

Задание объектам базы геоданных (трубопроводы, запорная арматура, коммуникации) значений высот с учетом заданной глубины или высоты залегания и присвоение условных трехмерных символов является одним из завершающих этапов создания трехмерной модели территории потенциально опасного объекта.

10. Верификация созданной трехмерной модели.

Процесс проверки созданных трехмерных моделей специалистами предприятия необходим для создания максимально приближенной к реальности трехмерной модели.

На основе вышеперечисленных этапов создания трехмерной модели разработан алгоритм построения трехмерной модели потенциально опасного объекта (рис. 2).

На сегодняшний день в области геоинформационных технологий существует несколько программных продуктов, поддерживающих возможность трехмерной визуализации. В Министерстве Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий широко применяется программный продукт ArcGIS, предлагающий целый набор проектных компонент (ArcGIS Engine), приложений (ArcGIS ArcScene, ArcGIS ArcGlobe, ArcGIS Explorer) и серверных решений (глобусные сервисы ArcGIS Server) для построения

трехмерных моделей [5].

Необходимо отметить, что более детальное представление дает трехмерная модель, разработанная в базовом приложении ArcScene, которое оптимизировано для анализа, отображает поверхности триангуляционной сети и трехмерные объекты, расположенные ниже поверхности земли (колодцы, шахты и т. п.).

Пример решения задачи поддержки принятия решений по управлению предприятием в случае возникновения чрезвычайной ситуации

В качестве одного из примеров программной реализации предложенного алгоритма построения трехмерной модели потенциально опасного объекта представлено развитие чрезвычайной ситуации на территории резервуарного парка, позволяющее обеспечить поддержку принятия решений в случае разлива нефти и пожара на его территории (рис. 3).

Средствами разработанной трехмерной модели моделируется разлив нефти из резервуара, определяются места расстановки сил и средств, задействованных при ликвидации аварии (расположение пожарной команды и техники в соответствии с «Планом тушения пожара»), зона открытого пламени, места подключения к противопожарному оборудованию, что позволяет получить наглядное представление об аварии на территории резервуарного парка и в короткие сроки принять решения по ее ликвидации. Трехмерная модель также включает информацию о расположении подземных и наземных резервуаров и емкостей на территории потенциально опасного объекта, трубопроводов, запорной арматуры, контрольноизмерительных приборов и планы эвакуации с территории объекта и производственных зданий.

Заключение

Рассмотрена проблема совместного описания разнородной пространственной информации в составе трехмерной модели потенциально опасного объекта, для решения которой предложен метод совместного описания разнородной пространственной информации в составе трехмерной модели потенциально опасного объекта на основе теоретикомножественного подхода.

Разработанный метод позволяет описать в едином формализованном виде множество разнородных объектов реального мира, необходимых для построения трехмерной модели потенциально опасного объекта, что позволяет осуществить совместное представление и использование разнородной пространственной информации для поддержки принятия решений как в повседневной деятельности, так и при возникновении чрезвычайной ситуации.

70

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 10, 2014

Data processing facilities and systems

a)

б)

в)

Рис. 1. Модели данных

Рис. 2. Алгоритм построения трехмерной модели потенциально опасного объекта

Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 10, 2014

71

Информационные комплексы и системы

Рис. 3. Расстановка сил и средств при возникновении чрезвычайной ситуации на территории резервуарного парка

На основе предложенного метода разработан алгоритм построения трехмерной модели потенциально опасного объекта и его программная реализация. В качестве одного из примеров программной реализации предложенного алгоритма построения трехмерной модели потенциально опасного объекта представлено развитие чрезвычайной ситуации на территории резервуарного парка, позволяющее обеспечить поддержку принятия решений в случае разлива нефти на территории резервуарного парка.

Таким образом, созданная трехмерная модель объекта позволяет повысить информационную поддержку принятия решений при возникновении чрезвычайной ситуации, прогнозировать возможные причины и проводить диагностику внешних рисков их возникновения.

Список литературы

1. Рекомендации по созданию трехмерных геоизображений (моделей) территорий и объектов жизнеобеспечения, потенциально опасных, критически важных для национальной безопасности, утвержденные заместителем министра Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий 25 февраля 2009 г. № 2-4-60-3-28.

2. Ефремова О.А. Применение современных ГИС-технологий для моделирования и прогнозирования аварийных разливов нефти (статья на англ. языке) [Текст] / О.А. Ефремова, Р.З. Хамитов, С.А. Митакович, С.В. Павлов, ГМ. Сайфутдинова // Материалы 5-й Международной научно-практической конференции «Компьютерные науки и информационные технологии». - Уфа, 2003. - Т. 2.

3. Ефремова О.А. ГИС-модели для анализа последствий аварийных разливов нефти [Текст] / О.А. Ефремова // ArcReview. Современные геоинформационные технологии. - № 1 (32). - Москва, 2005 г.

4. Гизатуллин А.Р. Трехмерное моделирование инженерных коммуникаций в ГИС [Текст] / А.Р. Гизатуллин, А.В. Соколова // Межвузовский научный сборник: Геоинформационные технологии в проектировании и создании корпоративных информационных систем. - Уфа: УГАТУ, 2013. - C. 176-185.

5. ArcGIS Recourse: Офиц. сайт [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://resources.arcgis.com/ ru/communities/3d/ (дата обращения: 22.01.2013).

References

1. Rekomendacii po sozdaniju trehmernyh geoizobrazhenij (modelej) territorij i ob'ektov zhizneobespechenija, potencial'no opasnyh, kriticheski vazhnyh dlja nacional'noj bezopasnosti, utverzhdennye zamestitelem ministra Rossij skoj Federacii po delam grazhdanskoj oborony, chrezvychajnym situacijam i likvidacii posledstvij stihijnyh bedstvij 25 fevralja 2009 g. № 2-4-60-3-28.

2. Efremova O.A. Primenenie sovremennyh GIS-tehnologij dlja modelirovanija i prognozirovanija avarijnyh razlivov nefti (stat'ja na angl. jazyke) [Tekst] / O.A. Efremova, R.Z. Hamitov, S.A. Mitakovich, S.V. Pavlov, G.M. Sajfutdinova // Materialy 5-j Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Komp'juternye nauki i informacionnye tehnologii». - Ufa, 2003.

- Т. 2.

3. Efremova O.A. GIS-modeli dlja analiza posledstvij avarijnyh razlivov nefti [Tekst] / O.A. Efremova // ArcReview. Sovremennye geoinformacionnye tehnologii. - № 1 (32). - Moskva, 2005.

4. Gizatullin A.R. Trehmernoe modelirovanie inzhenernyh kommunikacij v GIS [Tekst] / A.R. Gizatullin, A.V. Sokolova Mezhvuzovskij nauchnyj sbornik: Geoinformacionnye tehnologii v proektirovanii i sozdanii korporativnyh informacionnyh sistem.

- Ufa: UGATU, 2013. - S. 176-185.

5. ArcGIS Recourse: Ofic. sajt [Jelectronnyj resurs]. - URL: http://resources.arcgis.com/ru/communities/3d/ (data obrashhenija: 22.01.2013).

72

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 10, 2014