Интеграция 3D моделей в составе ситуационных центров

Митакович С.А., Заяц Е.В.; Общество с ограниченной ответственностью «Инновации Технологии Решения в области Геоинформационных систем» (ООО «ИНТРО-ГИС»), г. Уфа, email: S.Mitakovich@introgis.ru, E.Zayats@introgis.ru, Web: www.introgis.ru Григорьев Ю.Г., Закрытое акционерное общество «Холдинговая копания «Группа Промтех», г. Москва, email: gelios1011@yandex.ru, Web: www.grpt.ru

3D Models integration within situational centers

This article is devoted to 3D models creation for potentially dangerous objects and objects with people’s gatherings in order to inform emergencies officials, to develop relevant planning, and to prompt respond in case of crisis occur. Authors emphasize the necessity of using GIS as the basis of 3D geoimages creation and offer a number of key principles for such models development.

Статья посвящена созданию 3D моделей потенциально опасных объектов и объектов с массовым скоплением людей. Их основное назначение – информационное обеспечение органов МЧС России в целях разработки федеральных планов действий по предупреждению и ликвидации ЧС и осуществления экстренного (оперативного) реагирования на чрезвычайные ситуации. Рассмотрены требования к моделям и существующие подходы к их реализации. Авторы акцентируют внимание на необходимость использования ГИС как основы трехмерного геоизображения и предлагают ряд ключевых принципов при разработке 3D моделей.

Формальным началом создания базы 3D моделей потенциально-опасных объектов (ПОО) и объектов массового скопления людей (ОМСЛ) в МЧС России можно считать декабрь 2008 года, когда по инициативе Национального центра управления в кризисных ситуациях (НЦУКС) было разослано письмо в региональные центры МЧС с требованиями предоставить соответствующие базы трехмерных моделей. Под трехмерной моделью понимается набор различных материалов: файлы в формате 3D с текстурами и библиотеками, видеофайлы пролета или интерактивные приложения для манипулирования моделью, фотографии, графические карт-схемы, сопроводительные текстовые документы [1]. Вполне объяснимо, что как специалисты МЧС, так и проектные организации, включившиеся в данную работу, в качестве основного инструмента для создания моделей стали использовать пакеты трехмерного моделирования. Ведь их основное назначение – работа с трехмерной графикой. Однако, на наш взгляд, такой подход лишь частично реализует основную цель, стоящую перед органами МЧС: разработка планов действий по предупреждению и ликвидации ЧС, организация и осуществление оперативного реагирования на ЧС.

Это связано с развитием другого более глобального направления по созданию служб общественной безопасности (далее просто «ситуационные центры»). В России они получили названия:

«единые дежурно-диспетчерские службы» (ЕДДС) – на муниципальном уровне;
«центры управления кризисными ситуациями» (ЦУКС) – на субъектном и федеральном уровнях.

Ситуационные центры призваны обеспечить помощь в чрезвычайной или нештатной ситуации независимо от ее вида и масштабов. Это выражается в экстренном реагировании, поддержке при управлении и координации деятельности различных сил и средств (спасатели, пожарные, медицина, ЖКХ и другие). Их основными инструментами являются телекоммуникационные информационные системы, обеспечивающие получение, обработку и передачу разнородных данных о сложившейся ситуации. С их использованием персонал центров получает возможность удаленно «понимать», что происходит и, главное, принимать предельно быстрые и точные решения и действия.

Именно ситуационные центры становятся основными потребителями 3D моделей, а использование только пакетов трехмерной графики для их создания не позволяет достичь максимальной эффективности в работе этих служб. Такое утверждение основано на том факте, что полученные материалы изолированы от реальной обстановки, в которой находится моделируемый объект. Необходим системный подход с четким пониманием самого объекта и его окружения. В оперативных условиях при возникновении ЧС необходимо быстро и однозначно ответить на целый ряд вопросов, таких как:

где находится объект
что у него за «соседи»
где ближайшее расположение сил и средств с учетом класса ЧС
какой должен быть оптимальный маршрут согласно текущей транспортной и прочей обстановке
какого размера зоны поражения для конкретной ЧС
где в данный момент находится спасатель, пожарная машина
сколько времени понадобится на подход, подъезд к объекту
как оптимально разместить силы и средства для ликвидации ЧС
куда вывозить пострадавших
и прочие «ситуационные» аспекты.

Другими словами, требуются оперативный доступ к разносторонней актуальной информации и набор инструментов для выполнения анализа ЧС и принятия решений. При этом приходится оперировать данными и анализировать информацию об обстановке и внутри объекта (на территории) и вне объекта (за пределами территории ЧС). Поэтому основным инструментом должна стать геоинформационная система (ГИС), уникальной особенностью которой является интеграция разнородной информации за счет пространственной составляющей, независимо от охвата территории.

До сих пор памятна ситуация при проведении командно-штабных учений, в которых нам довелось участвовать. В их ходе целых 20 минут ушло на понимание того, где на территории большого завода в промышленной зоне города имитируется возникшая ЧС. Думаем, что при наличии элементарного устройства GPS и привязанного к местности космического снимка или векторной карты предприятия такая задача могла быть решена за секунды.

Сейчас многие разработчики геоинформационных систем уделяют большое внимание возможностям работы в 3D сцене, представления накопленных годами различных геопространственных данных (векторные карты, топографические планы, данные дистанционного зондирования, результаты моделирования) в трехмерном виде, выполнения их геообработки и анализа [2]. Разумеется, компания Esri, как один из ведущих игроков в области ГИС, предлагает целый набор проектных компонент (ArcGIS Engine), самостоятельных приложений (ArcGIS ArcScene, ArcGIS ArcGlobe, ArcGIS Explorer) и серверных решений (глобусные сервисы ArcGIS Server).

Но сразу следует подчеркнуть, что, опираясь на ГИС, мы не пытаемся «перетянуть одеяло на себя». Следует признать, что так называемый «движок» трехмерной сцены уступает в скорости и эффективности пакетам трехмерного моделирования и манипулировать трехмерной сценой в ГИС, перегруженной встроенными высоко детальными 3D моделями, достаточно проблематично. Кроме того, быстрое создание локальных 3D примитивов значительно удобнее в таких пакетах, нежели просто в ГИС. В связи с этим, необходимо найти некое оптимальное решение: какая система и за что будет «в ответе».

Обсуждение данного направления с ведущими экспертами МЧС России и ВНИИ ГО ЧС показывает, что в данный момент происходит более осознанное (с нашей точки зрения) понимание необходимости работы с 3D объектами. Оно заключается в осознании важности перехода от «красивых картинок и мультиков» к реальным пространственным данным, имеющим необходимую атрибутивную информацию, географическую привязку, а главное – возможность их использования в составе других информационных систем, причем без временных затрат на адаптацию и специальной переработки информации. Возможность произвольно «покрутить» трехмерную виртуальную сцену не столь важна, требуется оперативно решать аналитические и прогнозные задачи, связанные с предупреждением и ликвидацией ЧС: рассчитать зону поражения, оценить огнестойкость стен, определить оптимальные маршруты выдвижения сил и их состав и др. Хотя, безусловно, они должны выполняться в трехмерном виде, поскольку это на порядок снижает время, связанное с представлением и пониманием особенностей объекта и выработкой необходимых решений.

Исходя из назначения 3D модели и с учетом комплексного использования базы данных 3D моделей в составе ситуационных центров, мы предлагаем набор решений по их интеграции. Не претендуя на исключительность и уникальность нашего решения, считаем важным отметить следующие моменты.

Рис. 1. Интеграция разнородных данных о ЧС и подключение специализированных модулей в ArcGIS Desktop.

1. Основой построения геоинформационного изображения является ГИС. Она позволяет интегрировать разнородные данные (карты, снимки, фотографии, планы и др.) за счет пространственной составляющей и предоставляет богатый функционал аналитических возможностей. Это особенно важно при оперативном решении задач, когда в кратчайшие сроки необходимо добавить новые данные, рассчитать оптимальные маршруты, смоделировать чрезвычайную ситуацию и т.п. (рис. 1). При выборе ГИС следует ориентироваться на стандарты системы ArcGIS от компании Esri, представленной наиболее полным набором программных продуктов и обеспеченной хорошей технической поддержкой.

2. Базовая ГИС должна быть дополнена специализированными модулями, позволяющими решать тематические задачи. Применительно к ArcGIS мы рекомендуем использование следующих модулей: «3D Analyst» для 3D отображения и манипулирования трехмерным изображением, «Network Analyst» для решения сетевых транспортных задач, «Риск ЧС (оператор)» для моделирования техногенных ЧС, «Разлив нефтепродуктов» для прогнозирования аварийных разливов нефти и нефтепродуктов, «Затопление территории», «Прорыв ГТС» для оценки зон затопления, «Лесной пожар» для прогноза распространения лесных пожаров и другие.

3. Оптимален вариант – внедрить в 3D сцену ГИС «грубые» трехмерные примитивы, имеющиеся в ГИС или импортированные из пакетов трехмерного моделирования. Данный пункт хотелось бы пояснить подробнее. Как уже сказано, создание «красивой» трехмерной картинки не является самоцелью. Для эксперта достаточно ориентации в пространстве, а для этого можно использовать текстуры и несложные примитивы. Гораздо важнее получение необходимой информации с точки зрения возникшей ЧС и анализ ситуации. Например, оценить огнестойкость стен, рассчитать зону поражения, определить число пострадавших и др. Это можно реализовать за счет хранения атрибутивной информации и функций специализированных модулей (см. п. 2). Само внедрение трехмерных примитивов более удобно и эффективно осуществлять через создание покрытия мультипатч-объектов в базе геоданных, например, инструментом «Импорт 3D файлов». В отличие от другого известного способа – назначение трехмерного символа для каждой точечной фигуры – использование мультипатчей обеспечивает более корректное и стабильное отображение в различных приложениях и не требует символьной настройки слоя.

4. Для создания 3D примитивов можно использовать широко распространенные пакеты, отвечающие следующим требованиям: готовая библиотека моделей; набор необходимых и достаточных средств для 3D проектирования и простота в освоении; хранение модели в файлах стандартных форматов, поддерживаемых в современных ГИС. В качестве примеров можно привести 3D Max, AutoCAD, АrchiCAD, SketchUp.

5. Отдельные 3D примитивы (непосредственно опасные объекты, цеха, установки и т.п.) реализовать в упрощенном виде для вставки в трехмерную сцену ГИС и в детальном представлении с отчуждением в виде отдельно исполняемого файла. Тогда за счет простых ссылок в атрибутивном поле можно от трехмерной сцены ГИС перейти к детальному примитиву, не нагружая систему излишними деталями. При этом, пользователь из внешнего пространства, где он видит все объекты, попадает во внутреннее пространство отдельного объекта, в котором с помощью игровых «движков» может перемещаться по объекту, включать/отключать этажи и т.п. (рис. 2).

Рис. 2. Открепление детальной модели в виде отдельного приложения.

В рамках создания 3D моделей хотелось бы обозначить еще один аспект – интересы руководителей ПОО и ОМСЛ. В данный момент они находятся перед выбором: самостоятельная разработка 3D моделей или заказ разработки у специализированных проектных организаций. Первый вариант доступен, как правило, только для крупных предприятий, имеющих отдел по информационным технологиям и квалифицированных специалистов. Но даже для крупных, а тем более для средних и мелких предприятий чаще всего приходится заказывать работу «на стороне». И здесь зачастую превалирует подход к выполнению разработки, что называется «для галочки», когда 3D модель создается только с целью согласования в МЧС.

Вместе с тем, процесс разработки 3D модели по сути повторяет процесс разработки документов промышленной безопасности (паспорт безопасности, план ликвидации аварийных ситуаций, декларация безопасности и др.). Он включает в себя:

сбор и систематизацию данных
проведение специализированных расчетов
оформление результатов.

При этом состав и перечень исходных данных, методы расчета и даже формы представления результатов очень сильно совпадают. То есть практически одна и та же работа повторяется из разработки в разработку. Однако на практике воспользоваться материалами предыдущей разработки чаще всего не удается. Как правило, документы представлены в бумажном виде или в электронном виде в формате офисных документов. А, как отмечено выше, работать приходится с пространственной информацией, для которой существуют свои стандарты хранения и представления (хотя до сих пор встречаются схемы генеральных планов и зон поражения, сделанные непосредственно в приложении Microsoft Word). И пока полученные наработки не будут представлены в соответствующем виде, вряд ли руководители смогут сократить затраты на следующую разработку. Кроме того, не стоит воспринимать создание 3D модели исключительно в целях обеспечения безопасности объекта. За счет комплексного подхода, обеспечиваемого ГИС технологиями, модель может быть использована и другими подразделениями предприятия в решении их профессиональных задач: инженерные задачи, инвентаризация, управление активами, логистика и т.п.

Указанные выше предложения в основном относятся к информационному наполнению и обработке трехмерных пространственных данных. Однако особо следует отметить вопросы передачи и обмена пространственных данных в сети ситуационных центров, например от ДДС предприятия к ЕДДС муниципалитета и наоборот. Анализ нормативных документов, которые регламентируют формирование и функционирование работу этих служб, показывает недостаточное внимание к использованию геоинформационных технологий. На практике это приводит к тому, что основной акцент делается на сборе и передаче текстовой или табличной информации, а электронная карта если и используется, то лишь как иллюстрация. Но как показано выше, пространственная информация играет очень важную роль и невозможность ее передачи существенно ограничивает эффективность работы таких центров.

К телекоммуникационным информационным системам, установленным в ситуационных центрах, предъявляется целый набор во многом противоречивых требований. Прежде всего, это высокая скорость ответа наряду с необходимостью подключать и обрабатывать большой объем разнородной информации с различной степенью достоверности. Кроме того, необходимо учитывать различные роли пользователей. Это могут быть операторы, которые формируют «карточку» поступившего сигнала, аналитики, просчитывающие возможные сценарии, специалисты, принимающие решения. Не стоит забывать и про спасателей, находящихся непосредственно в зоне ЧС. А результаты работы каждого из специалистов должны быть за предельно короткое время доступны другим пользователям.

Попытка совместить весь объем информации и все функциональные возможности ГИС в составе одного рабочего места – малоэффективное решение. Каждому специалисту нужен свой набор инструментов и информации (зачастую совсем небольшой и «ничего лишнего»), который может пересекаться (или нет) с набором другого специалиста. В этом плане сервис-ориентированная архитектура, реализуемая продуктами ArcGIS, является эффективным средством, способным удовлетворить данные потребности [3].

Рис. 3. Концептуальная схема использования ArcGIS Server в составе ЕДДС.

В качестве примера: на уровне муниципалитета в составе ЕДДС может быть развернут ArcGIS Server (рис. 3), публикующий общедоступные и закрытые сервисы (двумерные и трехмерные карты, инструменты геообработки и геокодирования). Часть пользователей – руководители, операторы, население, спасатели – подключаются к ним посредством «тонких» клиентов на базе интернет-браузеров или специальных приложений (условно назовем их «витринами»). Витрина ориентирована на получение и обработку только необходимой информации с учетом категории пользователя. Например, витрина оператора позволяет ему нанести место ЧС на карте муниципалитета, а витрина руководителя – видеть местоположение и прогнозные зоны ЧС, отслеживать состав и перемещение сил и средств (рис. 4). Другая часть пользователей – дежурные, аналитики – используют сервисы и в составе «толстых» клиентов, самостоятельно определяя функциональные возможности ГИС и объем обрабатываемых данных. Это особенно актуально, когда ситуация стремительно меняется с каждой минутой, в частности, при разливе нефтепродуктов на акватории или химическом заражении. За счет новых возможностей ArcGIS 10 (или с использованием средств геообработки) для свободного обмена пространственными данными можно вывести отдельные слои на удаленное редактирование. Так, например, спасатель может фактически обозначить местоположение аварии и текущую зону последствий ЧС, чтобы дежурный мог скорректировать свои решения.

Рис. 4. Пример «тонкого» клиента ЕДДС в виде приложения WPF.

Аналогично может быть выстроена архитектура и на уровне ЦУКС. Причем даже простое подключение к сервисам «чужого» сервера позволяет совместно работать группе специалистов из различных ситуационных центров.

Кроме того, при наличии цифровой карты предприятия и трехмерных моделей владельцы ПОО и ОМСЛ могут участвовать в работе центра по ликвидации ЧС на базе бесплатного приложения ArcGIS Explorer, реализуя в первом приближении собственную ДДС. Для этого достаточно подгрузить в него удаленные сервисы и локальные данные (рис. 5).

Рис. 5. Использование удаленных сервисов и локальных данных в приложении ArcGIS Explorer.

Таким образом, интеграция 3D моделей потенциально-опасных объектов (ПОО), объектов массового скопления людей (ОМСЛ), как, впрочем, и многих других, на основе геоинформационной системы ArcGIS позволяет за сравнительно короткое время обеспечить полноценный сбор, обработку и обмен трехмерными пространственными данными в составе целой сети ситуационных центров и организовать совместную работу различных групп пользователей в случае возникновения, локализации и ликвидации ЧС. Все необходимые для этого функции и инструменты доступны и могут быть задействованы уже сегодня.

Литература

Рекомендации по созданию трехмерных геоизображений (моделей) территорий и объектов жизнеобеспечения, потенциально-опасных, критически важных для национальной безопасности, 2009, Москва, МЧС России.
Кузнецов О.В., Леонов А.Л., Наумов С.В. «ГИС в городском планировании и моделировании» — М. ДАТА+, ArcReview №3 (18), 2001, c.20.
Esri White Paper, «Геопространственная сервис-ориентированная архитектура (СОА)» (русский перевод см. на dataplus.ru/Support/ESRI/ArcGIS/PDF/GeoCOA.pdf)