Ing.Milan Čistý, CSc
Slovenská technická univerzita
Stavebná fakulta
Katedra vodného hospodárstva krajiny
Radlinskeho 11
813 68 Bratislava
E-mail: cisty@svf.stuba.sk

Abstrakt

Abstract

Úvod

Je známou skutočnosťou, že správcovia inžinierskych sietí patria k najväčším užívateľom GIS technológií. Vzhľadom na priestorovú rozľahlosť sa pre potreby správy a pre exploatáciu vodárenských alebo závlahových systémov môže s výhodou ako základný software použiť geografický informačný systém (GIS). Účelom tohto príspevku je zdôrazniť slovíčko základný, nakoľko ako je zrejmé, nebude GIS jediným typom software, ktorý je v takejto súvislosti potrebný. V rámci organizácie, zaoberajúcej sa správou sústav pre distribúciu vody je množstvo ďalších činností technických, ekonomických a organizačných. Toto je samozrejme všeobecná skutočnosť, v kontexte tohto príspevku však zostaneme pri tomto prípade aby bolo možné konkrétne ilustrovať použitie popisovanej softwarovej technológie.

Rozmanité potreby subjektu, ktorý chce, prípadne musí byť pri svojej činnosti podporovaný modernými informačnými technológiami, umožňuje (v rámci svojej kompetencie) uspokojiť tzv. komponentná technológia súčasného softwarového inžinierstva. Pre problematiku distribučných systémov pre rozvod vody (autor sa venuje závlahovým systémom) sa hodia informačné systémy, ktoré v sebe okrem možnosti uchovávať a manipulovať s priestorovo-atribútovými informáciami obsahujú napr. schopnosti pre analýzu hydrauliky rúrových sietí, prípadne ich dimenzovanie, návrh rekonštrukcie, výpočty potreby vody, určenie nárokov na vodné zdroje, evidenciu a účtovanie vody a ďalšie špecifické závlahárske a správcovské úlohy (obr.1). Podobný výpočet by sme mohli uviesť aj pri vodárenstve. Prevádzkovateľ, alebo projektant majú v GIS k dispozícii priestorové objekty závlahovej sústavy polohovo lokalizované v súradnicovej sústave a uložené v podobe grafických vrstiev. Každý priestorový objekt môže byť prepojený s popisnými informáciami či už textového charakteru (napr. záznamy o poruchách a opravách na sieti, priemery, materiál, vek potrubí, druhy pôd, pestovaných plodín, majitelia pozemkov atď.), alebo grafického charakteru (výkresy objektov).

Určitý správcovský alebo riadiaci subjekt potrebuje spracovávať informačne aj oblasti pri ktorých geografický aspekt nie je natoľko dôležitý a zbytočne by danú problematiku informačne zašumoval. Istú prechodnú oblasť by tvorili projektantské aktivity, ktoré môže podporovať CAD a konečne spracúva oblasť, kde dochádza k slovu pre GIS systémy charakteristická analýza geografických údajov, teda analýza pri ktorej sa odpovedá na otázky, ktoré vyžadujú vyhodnotenie priestorových vzťahov medzi objektmi. GIS poskytuje schopnosti podávať výsledky rôznych analýz v mapovej podobe. Rozloženie napr. tlakov na rúrovej sieti je tiež istou atribútovou vlastnosťou na geografickom základe. GIS systémy, ktoré obsahujú špecializované ekonomické, správcovské, modelovacie či analytické prvky typické pre špecifickú problematiku, je možné získať úpravami existujúceho software pomocou objektovo komponentnej ActiveX technológie. Táto umožňuje kombinovať rôzne uvedené moduly s GIS, pričom sa znásobuje informačná kapacita použitých prostriedkov.

Princíp technológie OLE Automation

Ako bolo v úvode zdôraznené vzhľadom na potrebu integrity údajov pri riadení a ďalšom rozhodovacom alebo projekčnom manipulovaní so sústavami pre distribúciu vody je výhodný zastrešujúci software typu GIS. Zároveň ťažko predpokladať, že všetky spomenuté i ďalšie špecifické úlohy tejto oblasti bude niektorý komerčný balík poskytovať v takej forme, aby boli okamžite použiteľné v našich podmienkach. Tým máme na mysli napr. normové obmedzenia atď. Riešenie poskytujú GIS softwarové produkty svojou možnosťou k rozšíreniu. Od počiatku GIS nejaké prostriedky k tomuto účelu výrobcovia software poskytovali, ale zdá sa, že súčasné možnosti postúpili na vyššiu úroveň. ESRI White Paper Customizing ArcInfo 8 z júna minulého roku uvádza v svojom závere: ”The customization environment in ArcInfo 8 is more robust and flexible than ever before… ArcInfo 8 is a developer’s dream, with every component that can be seen in the software being accessible and available for use in any developer’s application or custom tool.”

V ďalšom budú stručne uvedené princípy OLE Automation, ktorá je v pozadí tohto rozmachu. Aplikácia, ktorá umožňuje OLE Automation exponuje svoje jednotlivé súčasti v podobe tzv. ActiveX - objektového modelu ako binárne kúsky programu, takže jednotlivé objekty sú prístupné a je možné s nimi manipulovať pomocou ich metód a vlastností akýmkoľvek tzv. Automation controlerom, čo je prakticky jedno z viacerých možných programových prostredí (Visual C++, Borland Delphi, Visual Basic, Java ale aj Visual Basic for Application prítomný v programoch Office, AutoCAD atď). Široká možnosť voľby programového prostredia je jednou z najväčších výhod tohto prístupu. Keď koexistujú na jednom počítači spolu dve a viaceré aplikácie, ktoré sú schopné týmto spôsobom poskytovať svoje jednotlivé súčasti, otvára sa možnosť kombinácie už naprogramovaných možností uvedených programov do nových súvislostí. Poskytovanie objektov znamená prakticky napr. to, že textový procesor poskytne grafickému programu možnosť kontroly pravopisu, CAD program môže využívať výpočtové schopnosti tabuľkového procesoru na parametrické zadanie výkresu, GIS môže integrovať databázovú aplikáciu pre správu skladového hospodárstva atď. Navyše existujú samostatné ActiveX objektové komponenty, ktoré uľahčujú programátorovi riešenie rôznych špecifických úloh, do ktorých algoritmickej štruktúry potom nemusí prenikať a využíva len ich služby (uveďme napríklad: špecifické matematické programy, neurónové siete, genetické algoritmy, hydraulika rúrovej siete atď.). Všetky doprogramované vlastnosti budú pri použití tejto technológie novými vlastnosťami pôvodného programu, čím sa získa kompaktné, integrované riešenie. Výsledok tejto tendencie je vyjadrený v (HORÁK, 1999): ”GISy budou úspěšně metastázovat do nejrůznějších aplikací a využívání prostorových informací se stane přirozenou součástí informační podpory podnikových procesů. Důsledkem by měl být extenzivní růst nasazení GIS, růst poptávky po prostorových datech…”

Prvými príkladmi použitia tejto technológie sú pochopiteľne programy Microsoftu, s veľmi dobrým a prehľadným objektovým modelom sa objavuje od verzie 14 AutoCAD, takže objektový model preniká aj do GIS software AutoCAD MAP, ktorý je postavený na AutoCADe, keďže preberá jeho vlastnosti. ESRI sme už uviedli – okrem ArcInfo je potrebné v tejto súvislosti spomenúť MapObjects – samostatný ActiveX model pre vývojárov, ktorí chcú vo svojich aplikáciách využívať špecifické GIS schopnosti. Objektovo postavený je aj GeoMedia od Intergraphu, a mnohé aplikácie mimo oblasti GIS, ktoré sú práve zaujímavé vzhľadom na možnosti rozširovania schopností GIS software – je ich na vymenovanie veľký počet, z oblasti grafického software môžeme snáď ešte spomenúť CorelDraw. Na záver uvedieme aplikáciu Autodesk WORLD, ktorá bola z hľadiska použitia komponentného objektového modelu v oblasti GIS prvá a je charakteristická svojou úzkou náväznosťou na Office, čím sprístupňuje GIS technológie menej špecializovanému okruhu záujemcov, než je špecifická komunita GIS odborníkov. Tento software bol použitý ako softwarový GIS základ pre oblasť vodárenských a závlahárskych aplikácií autora príspevku, ktoré boli spomenuté v úvode, takže ďalší výklad bude čiastočne ilustrovaný týmto konkrétnym produktom a jeho objektovým modelom.

Použitý produkt Autodesk WORLD obsahuje jednak objektový model, ktorý poskytuje špecifické GIS schopnosti a jednak obsahuje kontroler v podobe zabudovaného vývojového prostredia Visual Basic for Application. Visual Basic for Application (VBA) je programový nástroj známy užívateľom Wordu alebo Excelu, ktorý umožňuje využívať objektový model vlastnej, hostiteľskej aplikácie alebo k nej pripájať objekty z iných aplikácií a umožňuje ich zladiť do uceleného programového celku.

Objektovosť znamená, že aplikácia exponuje (poskytuje) svoje jednotlivé súčasti - objekty -“vonkajšiemu svetu” v podobe tohto modelu, takže sú prístupné a je možné s nimi manipulovať pomocou ich metód a vlastností akýmkoľvek tzv. Automation controllerom, čo je napr. aj VBA. Manipulovať s objektom čiarový prvok znamená nakresliť čiarový prvok, zmeniť súradnice bodu, zmeniť farbu alebo posunúť ho vo výkrese. Keď sme menili farbu alebo bod, menili sme vlastnosť objektu. Metóda je akcia, ktorú je objekt schopný podstúpiť – úsečka “sa vie” premiestniť, keď na ňu aplikujeme metódu Posun (Move). Viac takýchto manipulácií vytvorí napr. výkres pozdĺžneho profilu na základe číselných údajov o ňom.

Objekty sú časti aplikácie napr. v prípade WORLDu:

grafické objekty – líniové, čiarové alebo bodové prvky geobáz, čiary, uhly, texty, či kóty v prípade kresieb
negrafické dátové objekty - databázy
nastavenie štýlu grafického zobrazenia, pohľad na výkres ap. je tiež objekt
dátové sady, organizačné štruktúry ako vrstvy alebo bloky v kresbách
konkrétny projekt a aplikácia WORLDu samotná sú tiež objektmi

Objekty sú usporiadané v hierarchickej štruktúre, v ktorej koreň alebo základ tvorí aplikácia WORLDu ako taká. Niektoré objekty sú kolekcie – zbierky, napr. databázy. Jednotlivé databázy, ako členovia kolekcií sú tiež objektmi. Zobrazenie tejto hierarchickej štruktúry je objektový model - viď obr.2. Na tomto obrázku je objektový model v schematickej podobe a rozvinuté sú len niektoré časti hierarchickej štruktúry. Objektový model zobrazuje ktorý objekt sprostredkuje prístup k ďalšej hierarchickej úrovni objektov. Prístup k objektom je potrebný na to aby sme vedeli zadefinovať, čo je to s čím chceme manipulovať pomocou vlastností a metód.

Ako príklad možno uviesť objekt geobáza. Toto je typická indexovaná grafická databáza GIS. Geobáza obsahuje triedy – grafické vrstvy, ktoré sú bodového (hydranty), čiarového (úseky potrubia) alebo plošného typu (parcely vlastníkov). Každému grafickému prvku v geobáze je priradený index, ktorý umožňuje jeho prepojenie s databázou. Každý objekt (aj geobáza) má metódy a vlastnosti, ktoré umožňujú s ním manipulovať. Jedna z najelementárnejších vlastností tohto objektu je Name – meno geobázy, spolu s kompletnou cestou k  nej (disková jednotka, folder). Metóda je niečo, čo môžeme na objekte alebo jeho prostredníctvom uskutočniť – pri geobáze je to napr. AddFeature – táto metóda pridáva k danej geobáze nejaký grafický prvok (bod, línia, plocha). Objekty obsahujú iné objekty a sú hierarchicky usporiadané v objektovom modeli. Kolekcia geobáz obsahuje napr. niekoľko objektov konkrétnych geobáz, geobáza obsahuje zmienené grafické prvky, medzi nimi čiarový prvok, ktorý má zasa svoje vlastnosti (súradnice, index atď) a metódy (nastavenie súradníc) atď.

GIS pre podporu správy závlahovej sústavy

Závlahové sústavy boli na území terajšej Českej a Slovenskej republiky budované na závlahu postrekom, pri ktorom sa využíva tlakový rúrový rozvod vody. Komplexný softwarový systém podporujúci správu takéhoto zariadenia naznačuje obr. 1. Pre modelovanie systému je dôležitý simulačný program pre analýzu tlakov a prietokov v hydraulickej sústave. Pre tento účel sa použil program EPANET. EPANET umožňuje simuláciu správania tlakových rúrových sietí po stránke hydrauliky a kvality vody pre ustálené a quazi dynamické prúdenie. Ku GIS je pripojený pomocou VBA ako DLL súbor, ktorý je k dispozícii ako tzv. EPANET Toolkit. Na tento výpočtový modul naväzuje optimalizácia (ekonomická) rekonštrukcie systému pomocou genetických algoritmov (GA). Nie je zmyslom tohto príspevku popisovať túto špecifickú optimalizačnú metódu, uvedieme iba toľko, že jej zmyslom je navrhnúť zosilnenia siete (nové priemery potrubí, nové okruhy v sieti… ) vzhľadom na zvyšujúce sa odbery (rast zástavby) Tento návrh GA robí optimálne vzhľadom k jeho ekonomičnosti. Metóda GA je charakterizovaná ako vyhľadávacia na rozdiel od iných tzv. deterministických a je pri nej zvlášť zdôraznená potreba kontroly výsledkov výpočtov. Výsledkom výpočtu sú geografické čiarové prvky (potrubia) s priradeným atribútom (priemer). Posledných niekoľko viet sme teda uvádzali preto, aby bolo jasné, že GIS je ideálnym prostredím pre analýzu týchto výsledkov. Čo je dôležité z hľadiska objektovej technológie, je to, že metóda genetických algoritmov je naprogramovaná pomocou produktu Genetic Server, ktorý je ActiveX komponentom určených pre programovanie špeciálnych optimalizačných aplikácií pomocou Automation Controlerov – v tomto prípade pomocou VBA zabudovaného v Autodesk WORLDe.

Pre potrebu integrácie s GIS bolo taktiež potrebné zmeniť pôvodne textové vstupné a výstupné súbory simulačného programu EPANET na databázové. Každý riadok - záznam databázy - je indexovaný podobne ako grafické prvky geobáz, korešpondencia indexov v týchto dvoch dátových štruktúrach umožňuje ich inteligentné prepojenie. Pri zadávaní či editácii vstupných údajov (umiestnenie úsekov potrubia, ich dĺžky, priemery potrubí ap.) sú tieto prístupné jednak prostredníctvom databázy alebo názornejšie pomocou svojej grafickej reprezentácie. Databázové prepojenie možno využiť pri analýze údajov (či už vstupov alebo výstupov) pomocou tematických máp. Tématická mapa je nástrojom analýzy, ktorá poskytuje metódu prezerania atribútových dát, ilustrujúcich na mapovom základe vzťahy, modely a trendy, ktoré je možné prehliadnuť pri obyčajnom prezeraní atribútových dát. Ako príklad uveďme pásmové (ranged) tematické mapy, ktoré prezentujú dotazované atribútové dáta v palete hodnôt tak, že sa zobrazí každá časť dotazovanej oblasti rozdielne (napr. v rozdielnej farbe) závisiac od hodnoty rozpätia (range) atribútu, ktorý prináleží tejto oblasti. Napríklad je možné vytvoriť ranged mapu tlakov v rúrovej sieti, hydraulických strát v úsekoch, rýchlosti prúdenia vody, veku potrubia atď. Individuálne hodnotové tematické mapy zobrazujú každú časť dotazovanej oblasti rozdielne v závislosti od individuálnej hodnoty, vzťahujúcej sa k tejto oblasti. Napríklad je možné vytvoriť individuálnu hodnotovú mapu, ktorá ukazuje profily potrubí či vek potrubí. Profily sú zobrazené s rozdielnymi farbami v závislosti od ich veľkosti v mm.

Tieto nástroje umožňujú napríklad projekt rekonštrukcie, v prípade nákupu nového typu závlahového detailu kvalifikovanú odpoveď správcu, či bude sústava schopná zabezpečiť jeho tlakové požiadavky a taktiež budú z podobných dôvodov užitočné v čase uzatvárania realistických zmlúv na odber vody.

Vo VBA bola doprogramovaná aj analytická možnosť špecifická pre líniové stavby – pozdĺžne profily, ktoré nie sú iba nástrojom analýzy, ale spĺňajú naše normové požiadavky na stavebné výkresy. Možno ich vytvárať z ľubovoľnej databázovej hodnoty, samozrejme najčastejšie z tlakových výšok, tlakov, či nadmorských výšok.

Súhrn

Cieľom tohto príspevku bolo poukázať na praktické využitie geografických informačných systémov a možnosti rozšírenia ich vlastností pomocou OLE Automation. Integráciou nástrojov, ktorú táto technológia umožňuje sa otvárajú nové možnosti podpory rozhodovacieho procesu. Popisovaný GIS systém je v súčasnosti tvorený na základe podpory Vedeckej grantovej agentúry Ministerstva školstva SR a Slovenskej akadémie vied, grant č. 1/6295/99, “Rekonštrukcia, exploatácia a modernizácia závlahových sústav”.

Literatúra

ČISTÝ, M., SAVIČ, D.A., WALTERS, G.A.:Rehabilitation of Pressurised Pipe Networks Using Genetic Algorithms. In: Water for Agriculture in the Next Millennium. 17^th Congress on Irrigation and Drainage, Granada, International Commission on Irrigation and Drainage, 1999, str. 13-27

HORÁK, J.: Budete asimilováni – odpor je zbytečný. In: GeoInfo, 4/99, Ostrava, 1999

ROSSMAN, L. A.: Epanet Users Manual. U.S. Environmental Protection Agency, 1994.

NeuroDimension, Inc.: Genetic Server, http://www.nd.com/