Разработка системного проекта ГИС

Основными слагаемыми ГИС являются инструментальная (аппаратная) база (от англ. — «hardware»), программное («software») и организационное («humanware») обеспечение. Организационным аспектам в геоинформатике уделялось недостаточно внимания.

Поскольку ГИС могут применяться для решения различных задач и в разных организационных схемах, подходы к разработке системного проекта могут варьировать в довольно широких пределах.

Наибольшее применение ГИС нашли в системах поддержки принятия управленческих решений или информационно-управля- юших системах. Поэтому в этом подразделе рассмотрим порядок выполнения работ по разработке системного проекта таких ГИС. Многие из рассматриваемых вопросов имеют отношение и к информационно-справочным системам, и к системам для научных исследований, и т.п.

Основные функции информационно-управляющих систем (ИУС) — планирование и контроль. Эти функции взаимосвязаны. И для планирования, и для контроля необходима своевременная, точная информация, эффективная по отношению к затратам на ее получение.

ИУС должна выдавать информацию о прошлом, настоящем, давать прогноз на будущее и отслеживать все относящиеся к теме события внутри организации и вне ее. Целью ИУС является облегчение эффективного выполнения функций планирования, контроля и производственной деятельности.

ИУС не является единственной всеобъемлющей интегрированной системой для удовлетворения всех потребностей администрации в информации.

ИУС должна не только выдавать и обрабатывать некоторую информацию, но и быть ориентирована на пользователя, т.е. информация, которую она обрабатывает, должна служить потребностям тех управляющих, которые ее получают.

При проектировании информационной системы нужно иметь в виду, что информационные потребности управляющих различны в зависимости от их уровня в иерархии и функциональных обязанностей.

Принято разделять виды управленческой деятельности на три категории. Стратегическое планирование — процесс принятия решений относительно целей и стратегий организации. Изменение целей, использование ресурсов для достижения этих целей. Выбор стратегий, обусловливающих получение, использование и размещение этих ресурсов. Управленческий контроль — процесс, посредством которого управляющие обеспечивают получение ресурсов и их эффективное использование для достижения общих целей. Оперативный контроль — процесс обеспечения эффективного и квалифицированного выполнения конкретных задач.

Системы, создаваемые для разных категорий управления, различны.

В табл. 5.1 показано изменение характеристик информации, используемой в различных видах управленческой деятельности.

Одним из наиболее важных этапов разработки системного проекта является этап разработки бизнес-плана.

Примерный состав стратегического бизнес-плана Вводная часть: название и адрес фирмы; суть и цель проекта; стоимость проекта; потребность в финансах; вероятный уровень секретности. Анализ положения дел в отрасли: текущая ситуация и тенденции развития отрасли; направление и задачи деятельности проекта. Существо предлагаемого проекта:

Характеристика информации в различных видах управленческой деятельности

-продукция (услуги, в том числе информационные) или работы; технология; лицензии; патентные права.

-цены; ценовая политика; каналы сбыта; реклама; прогноз новой продукции. Производственный план: производственный процесс;

-производственные помещения; оборудование; программное обеспечение; источники поставки информации, материалов, оборудования и кадров исполнителей; субподрядчики. Организационный план:

-форма собственности;

сведения о партнерах, владельцах предприятия; сведения о руководящем составе; организационная структура. Оценка степени риска: слабые стороны предприятия; вероятность появления новых технологий; альтернативные стратегии. Финансовый план: план доходов и расходов; план денежных поступлений и выплат; балансовый план; точка безубыточности. Приложения: копии контрактов, лицензий и т.п.; копии документов, из которых взяты исходные данные; прейскуранты поставщиков.

Этапы и правила проектирования ИУС

По мнению Рассела Акфора, процесс проектирования ИУС состоит из пяти основных этапов. Анализ системы принятия решений. Процесс начинается с определения всех типов решений, для принятия которых требуется информация. При этом должны быть учтены потребности каждого уровня и функциональной сферы. Анализ информационных требований. На этом этапе определяется, какой тип информации нужен для принятия каждого решения. Агрегирование решений. Решения, для принятия которых требуется одна и та же или значительно перекрывающаяся информация, должны быть сгруппированы в одну задачу управления. Проектирование процесса обработки информации. На данном этапе разрабатывается реальная система сбора, хранения, передачи и модификации информации. При этом должны быть учтены возможности персонала по использованию вычислительной техники. Проектирование и контроль за системой — важнейший этап создания и воплощения системы, служащей для оценки выдаваемой ИУС информации и позволяющей распознавать и исправлять замеченные ошибки.

Любая система будет иметь недостатки и поэтому ее необходимо делать гибкой и приспособляемой. Геоинформационные технологии призваны автоматизировать многие трудоемкие операции, ранее требовавшие больших временных, энергетических, психологических и других затрат от человека. Однако разные этапы технологической цепочки поддаются большей или меньшей автоматизации. Наиболее велика роль интеллектуальных способностей человека на этапе постановки задачи. Даже определяя конечную цель всей работы, она во многих случаях формулируется «размыто», неоднозначно. Специалисты по геоинформатике знают, как непросто получить от «заказчика» геоинформационной системы ясную формулировку того, что он хочет получить в результате всей работы, и весьма часто «разработчик» ГИС помогает «заказчику» в этом. «Разработчик» ГИС должен не только показать преимущества той или иной технологии, проиллюстрировать их ранее выполненными работами, но и постараться понять конечную и сопутствующие цели «заказчика». Здесь роль психологии может проявляться в определении семантического пространства «заказчика» и пользователя. Под семантическим пространством понимаются с определенной точностью установленные отношения («близость — удаленность», иерархия и т.д.) между понятиями, терминами, постулатами, научными пристрастиями и т. п. Семантическое пространство может быть определено как для отдельного субъекта, так и для коллектива.

Как показывает опыт, хорошо спроектированная, с точки зрения исполнителя, система может оказаться совершенно неработоспособной, если: к процессу проектирования не были привлечены те сотрудники, которые будут впоследствии ею пользоваться. В результате система может либо давать недостаточный для управления объем информации, либо перегружать менеджеров излишними сведениями; персонал оказывается в основном неподготовленным к ее использованию. Большая часть деятельности осуществляется по старым технологиям, а использование системы становится дополнительной нагрузкой для персонала.

ИУС не может считаться эффективной, если выгоды от ее использования заметно не превышают затраты на ее создание. Наилучшая ИУС — это не обязательно такая система, которая дает наибольшее количество данных и обеспечивает наибольшую точность и скорость их получения. Лучшая ИУС предоставляет сведения такого количества и качества, которые необходимы для целей управления при наименьших возможных затратах. Стоимость эксплуатации ИУС значительно превосходит затраты на оплату труда специалистов и стоимость оборудования для обработки данных. В состав затрат входит время, затраченное на ее проектирование и установку, обучение персонала, а также время и расходы, связанные со сбором, накоплением и обработкой данных.

Изложенные выше общие подходы к планированию и разработке информационно-управляющей системы могут быть уточнены и детализированы на случай построения системы, использующей ГИС-технологии.

По мнению Р.Ф.Томлинсона, процесс планирования ГИС позволяет существенно снизить затраты на ее создание.

Как было указано в журнале «Moody» (октябрь 1996 г.), соотношения стоимости эквивалентных изменений на различных этапах создания ИС выглядят так:

1$ — на стадии разработки требований;

10$ — на стадии проектирования;

100$ — на стадии создания;

1000$ — на стадии внедрения.

После того как сформулированы стратегические цели и задачи создания информационной системы, начинается планомерная работа по разработке бизнес-плана.

Определение входных и выходных данных системы Одним из самых важных этапов планирования является оценка потребностей всех потенциальных пользователей. Формулирование требований к информационным продуктам, используемым в их работе или являющихся ее результатом. Отсюда вытекают два ключевых шага работы над геоинформационным проектом.

А. Моделирование бизнес-процессов.

Б. Описание информационных продуктов, участвующих в этих процессах, и их параметров: требований к распечатке карт; требований к распечатке таблиц, списков, документов; требований к поиску документов; требований к данным (с учетом применяемых функций, частоты использования, логических связей, допустимых ошибок, толерантности к ожиданию, стоимости, анализа выгод).

При этом следует иметь в виду, что информационный продукт всегда является адресным.

В результате выполнения указанных шагов планирования системы должен быть создан документ с условным названием «Общий список входных данных».

Этот список должен содержать следующую информацию о каждом элементе списка. Идентификация данных:

название набора данных; номер набора данных; название организации источника; существующие метаданные. Объем данных:

носитель исходных данных; формат цифровых данных;

процент цифровых данных (на момент создания списка); тип первичных записей; объем первичных записей;

общий объем данных.

. Сканирование:

размер листа (см);

минимальное разрешение при сканировании dpi; качество материала.

. Графическая часть: типы объектов; характер их локализации; правила их цифрового описания;

способ установления соответствия с атрибутивной информацией;

точность данных. Атрибутивная часть:

структура атрибутивной информации; наличие словарей и т.п.

Из реальной жизни известно, что при реализации конкретных проектов выделяется как минимум два подхода: 1) сбор всех более или менее пригодных данных, которые когда-нибудь могут пригодиться и 2) жесткий отбор данных по принципу «чем меньше “мусора” в базах данных, тем лучше». У каждого из подходов есть свои плюсы и минусы, поэтому задача состоит в их оптимизации. Любопытно, что разные типы людей предпочитают разные подходы к сбору данных — так, более замкнутые в себе интраверты предпочитают второй подход, а экстраверты — первый. Следующий этап проектирования системы — определение приоритетов, очередности создания и основных параметров (территориального охвата, функционального охвата и объема данных! создаваемой системы.

Этот этап включает анализ: приоритетности информационных продуктов.

Для определения приоритетности должны быть заданы критерии, например: увеличение скорости принятия решения; объективизация принятия решений;

-улучшение качества услуг и т.д.; нагрузки, связанной с обработкой данных.

Анализ потенциальных пользователей, территорий, на которых необходимо первоначальное внедрение, определение частоты обращений, сложности функций обработки данных, их ориентировочные объемы и т.д.; требований к наличию данных.

При каком объеме накопленных данных система может выполнять свои функции.

Далее определяются требования к используемым данным с учетом максимального их применения уже в начале реализации проекта, причем как у заказчика, так и в других организациях.

На данном этапе определяются концептуальные требования: логическая модель данных. Речь идет о моделях данных для хранения как позиционной, так и атрибутивной информации. От выбора адекватных моделей данных зависит возможность совершенствования системы по мере роста потребностей и возможностей организации. Например, при работе с сетями важно обеспечить решение как собственно сетевых задач (массоэнергоперенос, оптимизация нагрузок, перераспределение транспортных потоков при авариях), так и задач пространственного анализа (построение зон отчуждения, природоохранных зон, моделирование магнитных полей в зоне линий электропередач, опасных геологических процессов в местах расположения опор, фундаментов и т.п.); качество данных (разрешение, требования к точности, интеграции и обновлению, уровень ошибок, потребность в информационных продуктах); анализ допустимости различных типов ошибок: пространственного положения, топологических, ссылочных, ошибок в атрибутивной информации; пространственное расположение данных. В каких точках физически хранятся, накапливаются и обновляются данные, каковы условия предоставления данных в общую систему; стандарты данных (текущие, прогнозируемые, потребность в информационных продуктах, обеспечивающих их поддержку); требования к преобразованию данных. Многообразны аспекты, связанные с процессами цифрования различных картографических материалов. Несмотря на все большее распространение технологий сканирования с последующей векторизацией изображений, доля ручного труда на этом этапе самая существенная. Помимо аспектов, связанных с изучением появления ошибок при цифровании (см. 2.1.3), что исследовано достаточно хорошо, важны также оценки психологической предрасположенности людей к монотонным рутинным операциям.

Следует также учитывать возможные типы обмена цифровыми данными. Например, в системах мониторинга чрезвычайных ситуаций может быть необходимо обеспечение работы напрямую с данными в форматах других систем (мониторинга лесных пожаров, мониторинга наводнений и т. п.), а в системах градостроительного кадастра достаточно передавать информацию через обменные форматы. В ряде случаев требуется конвертация данных с участием специалистов, особенно если классификаторы данных в проектируемой системе не совпадают с классификаторами в системах, информацию которых предполагается использовать; оценка нагрузки и затрат, связанных с обработкой данных.

На этом шаге следует учитывать не только непосредственные

работы по анализу и обработке данных, но и работы, связанные с обеспечением необходимой степени надежности их хранения.

Только изменение способа хранения данных, обеспечение его надежности приводит к изменению стоимости в 20—25 раз.

Экспертная оценка затрат, связанных с хранением данных (2001 — 2002), такова: персональный компьютер: до 40 Гб, безопасность не гарантируется, $5 за 1 Гб; подключение к серверу рабочей группы: 40 — 200 Гб, RAID 5, $70 - 90 за 1 Гб; массовое хранение в корпоративной сети: от 600 Гб до 10 Тб, RAID 1, полное «зеркало»; серверная и дисковая подсистема, высокая степень безопасности: $100—130 за 1 Гб;

• требования к технологии обработки данных.

Прежде всего оценке подлежат требования к функциональным возможностям системы.

Фирма Tomlinson Associates Ltd. ранжировала функции обработки и анализа данных, применяемые в ГИС по частоте их использования. В скобках указан относительный коэффициент использования различных функций: поиск объектов по атрибутам (1050); изменение масштаба (192); графическое наложение (154); топологическое наложение (полигон на полигон) (115); расчет центроида (109); кадрирование (98); обновление (88); анализ сети (78); топологическое наложение (точки в полигон) (54); расчетная арифметика — создание макросов (29); анализ непрерывности (28); измерение площадей (25); топологическое наложение (линия на полигон) (17); сжатие (12); повторная классификация атрибутов (8); функции САПР (6).

Наличие следующих функций необходимо в системе. Они нужны нечасто, но от их наличия может зависеть возможность решения некоторых задач: ввод точек;

растеризация (переход к растровой модели данных); построение буферных зон; преобразования плоскости; создание окружностей; создание полигонов;

координатная геометрия: угол/расстояние между точками; создание линий;

пообъектный просмотр; подсчет количества объектов; построение границы водоразделов; поиск по регионам;

рассеивание линий/слияние атрибутов; построение графиков; определение зон прямой видимости; измерение расстояний; интерполяция рельефа;

трехмерная визуализация (перспективная проекция); определение кратчайшего маршрута; оконтуривание; статистические функции;

• определение требований к интерфейсу системы и к передаче данных.

Требования к интерфейсу могут изменить настройку от «системы с одной кнопкой» до «системы с гибким интерфейсом пользователя». Первый вариант характерен для клиентских мест, установленных в диспетчерских или производственных службах, решающих конкретные задачи (выдача наряд-заказа и т. п.). Пользователи таких служб не обладают высокой квалификацией и не решают задач по серьезному анализу информации.

Информационно-аналитические службы, напротив, имеют множество нестандартных задач, предусмотреть которые заранее практически невозможно. В этом случае интерфейс должен обеспечить настройку системы для более удобного решения конкретной задачи текущего момента.

Требования к передаче данных зависят от способа их сбора, распределенности системы и необходимой оперативности их передачи.

Если ремонтные бригады в процессе работы или после ее окончания выполняют съемку территории и объектов на ней, то в современных условиях для этого могут быть использованы карманные компьютеры типа Palm или Cassipeia с блоками GPS. Для передачи данных между распределенными центрами сбора и обработки информации, не используемой в режиме реального времени, может быть использована электронная почта. При работе в режиме реального времени необходима сеть, параметры которой зависят от степени оперативности и надежности. В нефтегазовой отрасли для объектов, отключение которых может привести к выходу из строя всей системы добычи нефти, используются датчики, которые через спутниковые каналы периодически передают мониторинговые данные и координаты объекта. В современных условиях при существенном снижении стоимости микросхем, на базе которых создаются такие датчики, это позволяет значительно снизить затраты и повысить оперативность выполнения мониторинга.

Следует отметить, что все технологические решения очень быстро морально устаревают. Разработка стратегии внедрения.

На этом этапе уточняются и доводятся до проектов нормативных документов требования к взаимодействию организаций и их подразделений на всех уровнях (локальных, региональных, федеральных). Особенно важно разработать документы, регламентирующие следующие вопросы: модели данных; метаданные; схемы обновления, ведения, доступа; уровни доступа к информации, доступность данных; совместные действия (кто принимает решения и кто финансирует их исполнение); административная структура для координации данных, функций и обязанностей.

Важным вопросом стратегии внедрения является обеспечение информационной безопасности, т.е. выявление потенциальных опасностей и принятие решений по их предотвращению, к возможным опасностям относят: природные катастрофы; техногенные катастрофы; ненадежность компьютерных систем; несанкционированный доступ к данным; разрушение данных; неполнота и неактуальность данных.

Заметим, что в одних организациях предпочитают как можно надежнее охранять «свои» данные, уделяя максимум внимания защите от несанкционированного доступа, в других, наоборот, стараются распространить «свои» данные. Здесь можно провести некоторые аналогии с ГИС-пакетами — одни фирмы создают хитроумную защиту, а другие не заботятся об этом вовсе. При этом неизвестно, какие из них получат большую прибыль, возможно, те, чья продукция широко копируется (а тем самым и пропагандируется).

Среди рекомендуемых решений по защите информации можно выделить следующие. Обеспечение физической безопасности: предотвращение несанкционированного доступа в хранилище; изучение плана развития на предмет возникновения новых объектов; введение процедуры отметки документов и сопровождения; модернизация системы противопожарной безопасности; установка сигнализации во всех помещениях. Логическая безопасность: определение политики доступа к клиентским местам;

контроль и защита устройств и средств передачи информации; внедрение стандартов защиты от вирусов; разработка ограничений доступа по типам документов. Безопасность архивов: резервное копирование; создание удаленных хранилищ.

Существенным является планирование обеспечения систему персоналом и разработка программы подготовки специалистов по категориям персонала: менеджеры ГИС (планирование и дизайн ГИС, администрирование системы); пользователи ГИС (программное обеспечение, методы обработки и анализа данных).

Для определения стратегии внедрения необходимо создать модель стоимости системы, которая должна включать оценку стоимости создания, модернизации и эксплуатации и может содержать следующие позиции. Клиентские и серверные места: клиентские места; устройства массового хранения; устройства резервного копирования.

. Устройства ввода: сканеры; системы глобального позиционирования; карманные компьютеры. Устройства вывода: принтеры; плоттеры. Персонал:

—дополнительный; обучение; поездки. Программное обеспечение:

-ГИС; векторизаторы; программы полевого сбора данных;

-СУБД; конверторы. Данные: приобретение; редактирование; преобразование; обновление; ведение-исправление ошибок. Подготовка рабочих мест: помещения;

мебель.

. Связь: фиксированная разводка; выделенные линии связи; концентраторы; маршрутизаторы; оборудование удаленной связи.

При создании производственной системы должны быть проанализированы и оценены выгоды от внедрения системы. Экономия: снижение количества чел.-ч на решение задач; минимизация текущих расходов; минимизация расходов на эксплуатацию. Выгоды для организации: выгоды в результате получения новой информации; выгоды от изменения текущих операций; повышение эффективности планируемых расходов; повышение доходов; минимизация риска инвестиций; снижение ответственности; разработка лучших вариантов политики.

Одним из важных этапов планирования является разработка стратегии реализации проекта, которая включает: принципиальный подход к внедрению: эволюция или революция; последовательность внедрения; временные схемы работы; использование существующих СУБД, САПР, документооборота и других унаследованных систем.

Необходимо выполнить также анализ рисков, которые можно подразделить на следующие. Тхнологические: использование новых технологий; разрывы в технологиях; пробелы в технологиях; появление новых технологий. Функциональные: изменение целей и/или задач создания системы и, следовательно, ее функций. Организационные: множество организаций, разбросанных географически; необходимость введения изменений в управление. Ограничения: бюджет; время. Дополнительные проблемы:

—законодательство; режимные ограничения;              '

—согласованность действий поставщиков. Планирование проекта: качество разработки; соответствие существующей стратегии. Управление проектом: проверенные методы; отчетность; контроль качества на отдельных этапах. Проектные ресурсы: персонал; опыт;

—финансирование. Проектный график: рациональность;

—учет ключевых моментов.

При разработке стратегического плана внедрения следует учитывать общие правила: добавлять информационные продукты необходимо постепенно, в соответствии с корректировкой потребностей; в случае крупного институционального изменения должна быть пересмотрена работа всего предприятия; время разработки информационной системы не должно превышать срока жизни технологии, которую предполагается использовать.

Остановимся подробнее на некоторых специфических для разработки системах, использующих ГИС-технологии.