PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 118 Transport 2017 Andrzej Czerepicki, Piotr Tomczuk Politechnika Warszawska, Wydział Transportu Marcin Chrzanowicz Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny ANALIZA FUNKCJONALNYCH WYMAGAŃ ORAZ PROJEKTOWANIE MODELU DANYCH INFORMATYCZNEGO SYSTEMU ZARZĄDZANIA CHARAKTERYSTYKAMI REKLAM DROGOWYCH Rękopis dostarczono: maj 2017 Streszczenie: Reklamy w pasie drogowym stanowią nieodłączny element współczesnej architektury miejskiej. W zależności od treści przekazu, sposobu umiejscowienia oraz rodzaju podświetlenia, mogą one w różnym stopniu przyczynić się do rozproszenia uwagi osoby kierującej pojazdem. Ze względu na brak jednolitych przepisów prawnych regulujących standardy budowy oraz umieszczania reklam w obrębie drogi, oszacowanie wpływu reklamy na komfort kierowcy jest skomplikowane. Jednym z zadań projektu ROADVERT jest budowa narzędzia informatycznego, za pomocą którego można byłoby przeprowadzić kompleksową analizę technicznych aspektów reklam. Artykuł przedstawia zagadnienia związane z wybranymi etapami procesu projektowania takiego narzędzia. Wyodrębniono kategorie parametrów reklamy, jak np. aspekty treściowe, parametry oświetleniowe, lokalizacja reklamy w pasie drogowym, aspekty prawne etc. Opracowano i przedstawiono propozycję klasyfikacji reklam ze względu na poszczególne kryteria. Sformułowano wymagania funkcjonalne oraz techniczne do systemu. Zaproponowano obiektowy informatyczny model systemu, strukturę bazy danych oraz podstawowe elementy interfejsu użytkownika. Słowa kluczowe: reklamy drogowe, system informatyczny, grafowa baza danych 1. WSTĘP System komputerowy projektu ROADVERT jest budowany w celu automatyzacji procesu oceniania charakterystyk reklam umieszczanych w pasie drogowym. Reklama jako obiekt badań stanowi złożoną strukturę danych, elementy której są zgrupowane w następujące kategorie: dane ogólne, dane lokalizacyjne, informacje zarządcy drogi, aspekty treściowe, aspekty związane z bezpieczeństwem ruchu drogowego, oraz aspekty oświetleniowe. Poszczególne charakterystyki reklamy mogą być reprezentowane przez proste (liczby, teksty, znaki) lub złożone typy danych (kategorie, typy, zależności).
86 Andrzej Czerepicki, Piotr Tomczuk, Marcin Chrzanowicz Wszystkie charakterystyki reklam można podzielić na dwa podstawowe rodzaje: dane opisowe oraz dane pomiarowe. Dane opisowe stanowią informacje stale przypisane do reklamy, jak np. lokalizacja, wymiary, kategoria drogi etc. Dane pomiarowe mogą być pozyskiwane w drodze eksperymentu [1], modelowania komputerowego [2, 3] lub analizy prawnej [4]. Trwałe przechowanie danych opisowych oraz pomiarowych w systemie zakłada wykorzystanie bazy danych. Przeznaczeniem systemu informatycznego ROADVERT jest umożliwienie zbiorczej analizy charakterystyk reklam. W tym celu powinien on umożliwiać: wprowadzanie danych opisowych reklam oraz pomiarów poszczególnych cech reklamy, ich trwałe przechowywanie w bazie danych, odczyt na żądanie użytkownika w różnych przekrojach, a także eksportowanie do zewnętrznych systemów w celu analitycznego przetwarzania oraz sporządzania raportów. Artykuł przedstawia wybrane aspekty obiektowo zorientowanej analizy reklamy mającej na celu wyszczególnienie podstawowych obiektów systemu informatycznego oraz ich związków, określenie funkcjonalnych wymagań do systemu, wyodrębnienie ról użytkowników systemu oraz ich uprawnień, propozycję architektury aplikacji komputerowej oraz zaprojektowanie struktury warstwy danych. 2. CECHY REKLAMY JAKO OBIEKTU BADAŃ Charakterystyki reklamy drogowej można podzielić na następujące grupy (Rys.1): dane ogólne identyfikujące reklamę jako obiekt w systemie, lokalizacja reklamy oraz jej wymiary, informacje wprowadzane przez zarządcę drogi, aspekty inżynierii ruchu w tym parametry związane z bezpieczeństwem ruchu drogowego, aspekty treściowe związane z merytoryczną zawartością reklamy, oraz aspekty oświetleniowe. Lokalizacja reklamy Aspekty oświetleniowe Bezpieczeństwo ruchu Informacje Zarządcy drogi Dane ogólne Aspekty inżynierii ruchu Rys. 1. Kategorie charakterystyk reklamy jako obiektu badań
Analiza funkcjonalnych wymagań oraz projektowanie modelu danych informatycznego systemu... 87 Każda z kategorii stanowi niezależną grupę informacji powiązanych bezpośrednio z danymi opisowymi reklamy bądź pomiarami wielkości jej parametrów. Tab. 1 ukazuje najistotniejsze charakterystyki reklamy w podziale na kategorie. Grupy charakterystyk reklamy oraz ich najważniejsze cechy Lp. Kategoria Charakterystyki 1. Dane opisowe Identyfikator reklamy w systemie Wymiary i sposób montażu Klasyfikacja wg podziału ustawowego Inne rodzaje klasyfikacji pomocniczej Informacje o osobie wprowadzającej Opis reklamy 2. Lokalizacja reklamy Współrzędne GPS Adres Klasyfikacja drogi Charakterystyki otoczenia 3. Informacje zarządcy drogi Jednostka odpowiedzialna za wydanie zgody Data umieszczenia w pasie drogowym Numer pozwolenia na budowę Informacje dodatkowe 4. Aspekty inżynierii ruchu Dopuszczalna prędkość Odległość od skrzyżowań i przejść dla pieszych Natężenie ruchu samochodowego Obecność niechronionych uczestników ruchu 5. Aspekty treściowe Ilość informacji tekstowych Opis subiektywny reklamy Ocena treściowa 6. Aspekty oświetleniowe Klasyfikacja reklamy wg emisji światła Luminancja Natężenie oświetlenia Dominująca barwa Subiektywna ocena oddziaływania Tablica 1 3. UŻYTKOWNICY ORAZ PRZYPADKI UŻYCIA SYSTEMU Przeznaczeniem systemu informatycznego jest gromadzenie oraz przetwarzanie danych pomiarowych reklam. Użytkownikiem końcowym aplikacji będzie pracownik urzędu, w kompetencji którego leży ewidencja reklam oraz wydawanie pozwoleń na budowę związanych z umieszczeniem reklam w pasie drogowym lub ich modernizacją. Ze względu na konieczność podziału uprawnień dotyczących poszczególnych funkcji programu, zostały wyodrębnione następujące role użytkowników systemu (Rys. 2): operator wprowadzania danych osoba dokonująca wprowadzenia danych reklamy oraz wyników pomiarów jej technicznych parametrów do systemu, w celu dokonania oceny reklamy pod względem spełnienia kryteriów dopuszczalności do montażu oraz eksploatacji, a także wygenerowania stosownej decyzji,
88 Andrzej Czerepicki, Piotr Tomczuk, Marcin Chrzanowicz operator naczelny osoba posiadająca dostęp do rekordów wszystkich reklam oraz uprawnienia do ich edycji lub usunięcia, a także uzupełnienia lub modyfikacji pozostałych kartotek w systemie, oraz sporządzenia raportów analitycznych, administrator osoba zapewniająca poprawne działanie systemu w tym jego konfigurację, wykonanie kopii zapasowych, kontrolę dostępu, ewidencję użytkowników oraz nadawanie im uprawnień. Użytkownik końcowy programu będący osobą fizyczna, posiada konto logowania w systemie. W celu ułatwienia administrowaniem systemu, przyjęto założenie, że konto użytkownika może być członkiem wielu ról w systemie. Rys. 2. Diagram przypadków użycia systemu 4. WYMAGANIA FUNKCJONALNE ORAZ POZA FUNKCJONALNE SYSTEMU Wymagania funkcjonalne określają istotne z punktu widzenia użytkownika końcowego możliwości programu [5]. System informatyczny ROADVERT powinien: umożliwiać wprowadzanie do bazy danych opisowych reklam zgodnie z ustaloną specyfikacją formatów, ich modyfikację oraz prezentację w przyjaznej dla użytkownika formie,
Analiza funkcjonalnych wymagań oraz projektowanie modelu danych informatycznego systemu... 89 umożliwiać dodawanie oraz edycję dowolnej liczby zbiorów danych pomiarowych dla każdej reklamy, pozwalać na dodanie załączników do reklamy w postaci tekstowych dokumentów, zdjęć, arkuszy kalkulacyjnych etc. zgodnie z ustaloną listą formatów a także umożliwiać ich podgląd w programie, wyświetlać na mapie lokalizacje wprowadzonych reklam wraz z krótką adnotacją, pozwalać na precyzyjne wskazanie lokalizacji w celu jej manualnej korekty, umożliwiać wyszukiwanie reklam, załączników oraz pomiarów, umożliwiać użytkownikowi na przeprowadzenie kompleksowej oceny reklamy na podstawie wprowadzonych charakterystyk i pomiarów, stosując w tym celu elementy pomocnicze typu ankieta, wykres, lista, arkusz kalkulacyjny, kwestionariusz etc., umożliwiać statystyczną analizę zgromadzonych w bazie danych charakterystyk reklam, w celu opracowania oraz weryfikacji kryteriów decydujących o dopuszczeniu reklamy do eksploatacji, generować na żądanie użytkownika sprawozdania w ustalonych formatach, w tym wydanie decyzji o pozwoleniu na postawienie reklamy, listę wydanych zezwoleń we wskazanym zakresie czasowym, etc. umożliwiać zarządzanie użytkownikami systemu zgodnie z przyjętym systemem ról i uprawnień. Wymagania poza funkcjonalne określają szczegóły implementacji systemu oraz warunki jego eksploatacji. Planuje się, iż system zostanie zrealizowany w technologii klient-serwer. Dedykowaną infrastrukturą sieciową będzie sieć lokalna z uwierzytelnianiem na poziomie domeny, co pozwoli zrezygnować z realizacji złożonych mechanizmów zabezpieczeń danych w programie i skupić się na merytorycznej funkcjonalności. W przypadku konieczności zorganizowania zdalnego dostępu do systemu spoza domeny, planuje się wykorzystać tunel VPN. Interfejs użytkownika będzie zrealizowany w klasycznej wersji okienkowej, ze względu na dużą ilość wprowadzanych informacji oraz wymagania szybkiego reagowania programu na interakcje z użytkownikiem, co nie zawsze mogą zapewnić w aplikacje webowe. Zgodnie z powyższym, należy wymienić następujące istotne wymagania poza funkcjonalne: program powinien działać w systemach operacyjnym Microsoft Windows 8/10, Windows Server 2012 lub nowszych, wspierających środowisko programowania.net Framework 4.5, system powinien wykorzystywać protokół sieciowy TCP/IP do komunikacji aplikacji z bazą danych, system powinien udostępniać graficzny okienkowy interfejs użytkownika z wykorzystaniem standardowych komponentów systemu Windows, system powinien umożliwiać równoległą pracę przynajmniej dziesięciu użytkowników jednocześnie, system powinien umożliwiać dodanie dowolnej liczby reklam, kont użytkowników oraz załączników do bazy danych, pod warunkiem że na dysku komputera pełniącego rolę serwera jest wystarczająco dużo wolnej przestrzeni, system powinien zapewnić komfortową pracę z programem przy założeniu, że konfiguracja sprzętowa spełnia następujące wymagania: procesor Intel Core i5 6 gen, 4 GB RAM, sieć o przepustowości 1 Gb/s, dysk SSD lub inny o transferze przynajmniej 100 MB/s.
90 Andrzej Czerepicki, Piotr Tomczuk, Marcin Chrzanowicz 5. WARSTWY ARCHITEKTURY SYSTEMU Projekt komputerowego systemu wykonano z wykorzystaniem trójwarstwowej architektury aplikacji [6] składającego się z warstwy danych, warstwy prezentacji oraz warstwy logiki biznesowej. Warstwę danych zaprojektowano z wykorzystaniem współczesnego grafowego modelu danych [7]. Elementami grafowego modelu danych są wierzchołki oraz krawędzie. W systemie wyodrębniono następujące klasy wierzchołków (Rys. 3): [Reklama] reprezentuje pojedynczą instancję reklamy (R), o atrybutach zgrupowanych wg kategorii { dane opisowe, lokalizacja, informacje zarządcy drogi }; [Pomiar] reprezentuje pojedynczy zbiór danych pomiarowych reklamy (P), o atrybutach zgrupowanych wg kategorii { aspekty treściowe, aspekty oświetleniowe }; [Załącznik] dokument załącznika do reklamy (Z) o atrybutach { nazwa pliku, lokalizacja na dysku, rozmiar, zawartość, rodzaj załącznika }; Wierzchołki pomocniczych typów danych wspomagających klasyfikację reklam: [Kategoria drogi], [Przekrój drogi], [Rodzaj Załącznika], [Sposób montażu], [Użytkownik] (nie są pokazane na Rys. 3). Rys. 3. Warstwa danych systemu w postaci grafowego modelu
Analiza funkcjonalnych wymagań oraz projektowanie modelu danych informatycznego systemu... 91 Krawędzie grafu realizują związki encji w grafowym modelu danych. Wykorzystując zasady transformacji modelu ER na model grafowy [8], wyodrębniono następujące klasy krawędzi: <droga> łączy dwa wierzchołki typu [Reklama] reprezentując przynależność reklamy do konkretnej drogi oraz kolejność umieszczenia reklam w pasie drogowym, <pomiar> reprezentuje przynależność [Pomiaru] do [Reklamy], w związku N:1 wiele pomiarów do jedna reklama, <załącznik> pozwala na przypisanie do [Reklamy] instancji klasy [Załącznik] w związku N:1 wiele załączników do jedna reklama. Atrybuty wierzchołków są zapisywane w postaci par klucz-wartość gdzie kluczem jest nazwa atrybutu, wartością wielkość pomiaru cechy reklamy reprezentowanej przez określony typ danych. Listę wybranych atrybutów klasy [Reklama] prezentuje Tab. 2. Atrybuty obiektu Reklama w kategorii Dane opisowe Nazwa atrybutu Typ danych Opis Szerokość Decimal Szerokość reklamy, [m] Wysokość Decimal Wysokość reklamy, [m] Data_wprowadzenia Date Data wprowadzenia reklamy do systemu Kąt_reklamy Integer Kąt reklamy względem kierunku ruchu Latitude Decimal Szerokość geograficzna GPS Longtitute Decimal Długość geograficzna GPS Opis String Opis reklamy Klasyfikacja_emisji_światła Integer ID sposobu podświetlenia reklamy Klasyfikacja_reklamy Integer ID klasyfikatora reklamy Sposób_montażu Integer ID sposobu montażu reklamy Tablica 2 Fizyczna implementacja grafowego modelu zakłada wykorzystanie grafowej bazy danych Neo4J [9]. Wybór modelu danych odmiennego niż klasyczny relacyjny, podyktowany został następującymi spostrzeżeniami. Grafowy model danych jest elastycznym modelem, który pozwala na łatwe wprowadzenie zmian w schemacie bazy danych z zachowaniem już istniejących danych. W przypadku projektowanego modelu jest to istotny argument, ponieważ struktury danych opisujące poszczególne kategorii cech reklamy, są proponowane osobno przez każdą ze stron konsorcjum projektu ROADVERT. Sztywna struktura bazy danych w tym przypadku wymagałaby ścisłego zdefiniowania i uzgodnienia wszystkich atrybutów encji przez rozpoczęciem implementacji systemu, co mogłoby znacząco wydłużyć projekt. Więc, zastosowanie elastycznego modelu danych jest zgodne z manifestem zwinnego wytwarzania oprogramowania Agile [10], który został wykorzystany w procesie implementacji programu. Kolejnym atutem wykorzystania grafowego modelu danych jest naturalne odzwierciedlenie związków reklam umieszczonych kolejno w pasie drogowym, poprzez krawędzie łączące sąsiadujące wierzchołki grafu odpowiadające reklamom. Taki sposób wprowadzenia związków pozwala na przeprowadzenie szybkiej analizy wybranych aspektów grupy reklam we wskazanym obszarze (np. na odcinku drogi) gdzie jest zbiorem wszystkich reklam. Realizacja identycznej funkcjonalności w relacyjnej bazie danych wymagałaby wprowadzenia macierzy sąsiedztwa, rozmiar której
92 Andrzej Czerepicki, Piotr Tomczuk, Marcin Chrzanowicz byłby proporcjonalny do kwadratu liczby wierzchołków. Wybieranie grupy sąsiadujących reklam z takiego zbioru wymagałoby wielokrotnego przeglądania całej macierzy sąsiedztwa, w momencie gdy w modelu grafowym są analizowane tylko powiązania we wskazanym obszarze (podgraf) tj.. Operacje przetwarzania danych w grafowej bazie są zaprojektowanie w języku programowania Cypher. Warstwa logiki biznesowej zawiera algorytmy przetwarzania danych. Są one realizowane w języku C#. Warstwę prezentacji zaprojektowano z wykorzystaniem technologii WinForms na platformie Microsoft.NET Framework. Interfejs użytkownika jest realizowany w układzie okien MDI (ang. Multiple Document Interface). Architekturę systemu informatycznego przedstawia rys. 4. Rys. 4. Architektura systemu informatycznego ROADVERT 6. WNIOSKI Wiodącym tematem naukowo-badawczego projektu ROADVERT jest analiza wpływu charakterystyk reklam umieszczonych w prasie drogowym, na bezpieczeństwo ruchu. Istotnym elementem projektu jest stworzenie komputerowego systemu wspomagającego przechowanie i analizę określonych cech reklam oraz powiązanych z nimi obiektów. Artykuł przedstawia etapy projektowania systemu, w tym sformułowanie wymagań, analizę struktury oraz kategoryzację cech reklamy drogowej jako obiektu badań, określenie istotnych funkcjonalności systemu oraz budowę struktury warstwy danych systemu. Do wyników naukowych należy odnieść między innymi autorskie rozwiązanie polegające na wykorzystaniu współczesnej grafowej bazy danych do przetwarzania danych reklam, szczegóły którego zostały zaprojektowane oraz przedstawione w artykule. Efektem
Analiza funkcjonalnych wymagań oraz projektowanie modelu danych informatycznego systemu... 93 praktycznej aplikacji wyników prac prowadzonych w ramach projektu jest działający prototyp komputerowego systemu, wkraczający obecnie w fazę testów funkcjonalnych. Na podstawie wyników testów planuje się rozszerzenie tematyki publikacji o rzeczywiste charakterystyki eksploatacyjne, w tym ocenę efektywności zastosowanego rozwiązania w porównaniu z klasycznym relacyjnym systemem baz danych. Odrębny temat badań stanowić będzie analiza danych reklam zgromadzonych w systemie. Zagadnienia prezentowane w niniejszym artykule są przedmiotem badań i analiz w realizowanym przez Wydział Transportu Politechniki Warszawskiej projekcie pod tytułem: Wpływ reklam na poziom bezpieczeństwa ruchu drogowego, umowa numer: DZP/RID-I-33/4/NCBR/2016 (Rozwój Innowacji Drogowych), finansowanym przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju oraz Generalną Dyrekcję Dróg Krajowych i Autostrad. Bibliografia 1. Tomczuk P., Jaskowski P.: Pomiary luminancji wybranych reklam usytuowanych w otoczeniu dróg, Logistyka 4/2015, CD1 nr 118, str. 1067-1076, ISSN 1231-5478 2. Chattington F.M.: Investigating driver distraction: the effects of video and static advertising: a driving simulator study. Crowthorne: Transport Research Laboratory TRL, RPN256-2009, TRL Crowthorne, UK 3. Tomczuk P., Czerepicki A., Sadowski P., Jaskowski P., Chrzanowicz M.: Modelowanie wpływu reklam świetlnych na bezpieczeństwo ruchu drogowego, Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej Transport, z. 114, Aspekty Bezpieczeństwa i Ekologii w Transporcie, str. 369-382. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, ISSN 1230-9265, Warszawa 2016 4. Glicz M., Jamroz K., Mackun T.: Aktualny stan prawny w zakresie reklam widzianych z drogi i rekomendacje do zmian. Transport Miejski i Regionalny 12/2013, s. 9 15 5. Beynon-Davies P.: Inżynieria systemów informacyjnych. WNT, Warszawa 2004, ISBN 8-3204- 2993-5 6. Eckerson W.: Three Tier Client/Server Architecture: Achieving Scalability, Performance, and Efficiency in Client Server Applications, Open Information Systems 10, 1 (January 1995): 3(20) 7. Czerepicki A.: Projektowanie transportowych systemów informatycznych z wykorzystaniem grafowej bazy danych, w: Logistyka: czasopismo dla profesjonalistów, Instytut Logistyki i Magazynowania, nr 4, 2014, 1761 1766 8. Czerepicki A.: Application of graph databases for transport purposes, in: Bulletin of the Polish Academy of Sciences, Technical Sciences, PAN, vol. 64, No 3, 2016, ss. 457-466 9. Robinson I., Webber J., Eifrem E.: Graph Databases - New Opportunities for Connected Data (2nd Edition), O'Reilly 2015, ISBN 978-1491930892 10. Abrahamsson P., Warsta J., Siponen M. T.,Ronkainen J.: New directions on agile methods: a comparative analysis, in: Software Engineering, 2003, Proceedings 25th International Conference, pp. 244-254 THE FUNCTIONAL REQUIREMENTS ANALYSIS AND DESIGN A DATABASE MODEL OF THE ROAD ADVERTISEMENT'S CHARACTERISTICS MANAGEMENT COMPUTER SYSTEM Summary: Roadside advertising is an integrated part of modern urban architecture. They can disturb the attention of the vehicle driver depending on the content, the location, and the type of backlighting. Estimating the advertising impact on driver comfort is complicated due to lack of uniform legislation regulating construction standards and principles of ad placement near the road. One of the tasks of the ROADVERT
94 Andrzej Czerepicki, Piotr Tomczuk, Marcin Chrzanowicz project is to build an IT tool for a comprehensive analysis of the advertising technical aspects. This paper presents issues related to the selected stages of the IT tool design process. The categories of advertising parameters have been separated, such as lighting parameters, location of the advertisement in the lane, legislation aspects, etc. A proposal for advertisements classification depends on different criteria was developed and presented. The functional and technical requirements for the system have been formulated. An object-oriented IT system model and graph database structure were proposed. Keywords: road advertise, information system, graph database