Г. Ф. Пеньковский основы информационных технологий и автоматизированного проектирования в строительстве конспект
 Скачать 1.66 Mb.
|
|
энтропией [3, 13]. Количество информации определяется по формуле ) ( Э ) ( Э ) ( E D D E J , (1) где ) ( Э D – исходная энтропия системы; ) ( Э E – энтропия системы после получения сообщения E Для системы, имеющей N возможных состояний, энтропия опреде- ляется по формуле ¦ D N i i i P P 1 log ) ( Э , (2) где i P – вероятность того, что система находится в i-м состоянии; N – полная группа состояний для системы. В формулах (1) и (2) единицы измерения количества информации и энтропии зависят от основания логарифма. При основании логарифма «2» это биты, при основании «e» – наты, при основании «10» – диты. Формулу Шеннона для энтропии (2) можно записать в таком виде: ¦ D N i i i P P 1 1 log ) ( Э . (3) Здесь первый множитель i P характеризует вероятность состояния системы i и ее возможное изменение после получения информации E Второй множитель log1/P i отражает вероятностную значимость состоя- ния системы. Чем меньше становится вероятность состояния системы i P после получения сообщения E , тем больше значение этого сообщения. Сложность использования формулы Шеннона для оценки количе- ства и качества информации состоит в трудности получения вероятност- ных параметров формулы. В качестве примеров расчета некоторые авто- ры используют результаты подбрасывания монет, игральных костей или определения количества голубоглазых девушек среди блондинок, что мало подходит для сбора статистики в теории информации. Структура формул (1) и (2) не претендует на описание всех свойств информации, описаных ранее. Сам Шеннон [13] говорит об интуитив- ном происхождении логарифмической записи для числа сообщений. При этом единицы измерения количества информации и энтропии оказались зависимыми от математической формы записи. Невозможно дать физи- ческое толкование этим единицам, как это можно сделать для всех дру- гих единиц измерения. Такая запись удобнее в математических преобра- зованиях, но может быть и другой. Надо отметить, что аналогия между свойствами информации и поведением молекул в молекулярной физике принята без специального обоснования и лишь весьма приближенно от- 12 13 ражает вероятностную сторону свойств информации в оценке ее количе- ства. Что же касается такого свойства информации, как ее ценность, полез- ность для решения конкретных проблем, то в настоящее время не существу- ет таких математических теорий, где это свойство учитывалось бы [3]. В рассмотренной ранее схеме передачи информации (см. рис. 2) речь идет о передаче сигналов в виде сообщений с определенным количеством символов. В технике связи оценивается скорость передачи символов, плотность их передачи по каналам связи, вероятность приема правиль- ных сигналов после устранения помех, после кодирования и декодиро- вания сигналов. Все это очень важно для передачи информации, но лишь косвенно это говорит о количестве информации и совсем ничего о ее свойствах, о качестве информации. Поэтому формула Шеннона для количества информации в виде раз- ности энтропий (1) имеет главным образом теоретическое значение. Прак- тически же в технике связи оперируют не количеством информации, а количеством символов, передаваемых по каналам связи. 1.5. Информация в проектировании и управлении строительством Разработка проектно-сметной документации представляет собой процесс создания информационной модели объекта строительства [11]. При проектировании происходит сбор и переработка информации, энт- ропия модели как мера неопределенности ее состояния уменьшается по мере накопления в модели необходимой информации и становится ми- нимальной к моменту готовности документации. Применяя подход Шеннона, рассмотрим процесс формирования модели строительных конструкций в общем виде. Полная группа несов- местных событий для конструкций может быть представлена двумя со- бытиями: А 1 – когда условия прочности и эксплуатационной пригодности удов- летворяются с вероятностью, равной величине надежности конструкций (P 1 = H); А 2 – когда условия не выполняются с вероятностью противополож- ного события (P 1 = 1 – H); вероятность P 2 отражает риск модели от не- соблюдения условий предельного состояния строительных конструкций. Энтропия в натах для указанной группы событий А 1 и А 2 определя- ется по формуле (2) H) (1 ln H) (1 lnH H Э , (4) где H – надежность строительных конструкций. На рис. 3 показано, как меняется энтропия системы конструкций при изменении уровня их надежности от нуля до единицы. J(∆H) ∆H Э, нат H Рис. 3. Зависимость энтропии от надежности конструкций Левая часть графика при H = 0÷0,5 характеризует неопределенность состояния системы относительно нарушения условия надежности. При H = 0, Э = 0. Это значит, что конструкция разрушается абсолютно досто- верно и неопределенность системы снимается полностью. Правая часть графика при H = 0,5÷1 характеризует состояние сис- темы, в котором условие прочности выполняется, и при H = 1 Э = 0. Это означает, что надежность конструкции обеспечена абсолютно достовер- но. Здесь также неопределенность системы снимается полностью. Для снижения энтропии и повышения надежности системы на ве- личину H (см. рис. 3) в модель системы необходимо ввести информа- цию в количестве J( H). На эту величину снимается неопределенность системы. Такой ин- формацией могут быть сведения, повышающие достоверность исходных данных, сведения о дополнительных ресурсах прочности конструкций, о конкретных условиях их работы и условиях загружения. Действующи- ми нормами предусмотрено наполнение информацией модели строитель- ных конструкций до тех пор, пока уровень их надежности станет не ниже 0,999, и неопределенность состояния системы строительных конструк- ций снимается практически полностью. 14 15 Заметим, что единица поступающей информации J H), скажем нат, не имеет четкой связи с изменением уровня надежности H. Надежность конструкции меняется по-разному в зависимости от различных факто- ров, содержащихся в информации. Получить математическую зависи- мость между количеством информации и уровнем надежности представ- ляется весьма трудной задачей, в которой потребовалось бы иметь ста- тистические данные о влиянии различных факторов на состояние конст- рукций. Если учесть, что влияние многих факторов (например, удобство эксплуатации, экологичность, эргономичность, технологичность, вне- шний вид и др.) не поддаются формализации, то их влияние приходится учитывать экспертными методами системного анализа, широко приме- няемыми для обоснования принимаемых решений в проектировании и управлении строительством [7]. В такой постановке количество ин- формации удобнее представлять в форме, приведенной в учебнике ин- форматики Н. В. Макаровой [4] в таком виде: D CV J , (5) где С – коэффициент содержательности информации; V D – объем данных информации. При решении проблем проектирования и управления строитель- ством коэффициент содержательности информации С, отражая разные свойства информации, может принимать различные значения. Ценность информации определяет лицо, принимающее решение (ЛПР) на основе экспертных оценок этой информации. Таким образом, количество полез- ной информации тесно связанно с ее качеством и ее ценностью в каждом конкретном случае. Объем данных V D представляет собой общий объем информации, которым может располагать ЛПР в системах автоматизированного про- ектирования (САПР) или в системах автоматизированного управления (АСУ). Эта информация содержится в базе данных САПР или АСУ, явля- ется информационным ресурсом, из которого ЛПР извлекает полезную для конкретных задач информацию. Важным для всех видов работы с информацией является вопрос о единицах количества информации. Формула (5) дает возможность еди- ницу хранения считать основной единицей количества информации для всех видов работы с нею. Из опыта хранения информации на различных носителях можно построить следующую иерархию единиц хранения: знак, символ, бит (байт = 8 бит); страница текста в печатных изданиях; печатный, учетно-издательский лист; печатное издание (наименование работы); дискета, компакт-диск (с указанием занятой и свободной емкос- ти в байтах); лента (с указанием длины). Если объект проектирования или управления характеризуется мас- сивом информации из n частей, то полный объем полезной информации для модели этого объекта определяется по формуле ¦ ¦ n i n i Di i i V C J J 1 1 0 , (6) где С i – безразмерные коэффициенты содержательности i-й части инфор- мации, отражающие ее свойства, ценность для проектирования объекта; V Di – объем данных информации, которую ЛПР имеет возможность из- влечь с места хранения в соответствующих единицах хранения. Процесс наполнения модели объекта информацией при проектиро- вании удобнее характеризовать не энтропией как мерой неопределеннос- ти состояния модели, а степенью готовности модели к моменту времени t о ) ( ) ( Г J t J t (или 100 %), (7) где J(t) – объем полезной информации, отражаемой в проекте в качестве готовой части проектно-сметной документации к моменту времени t; J о – полный объем информации в проекте. Числитель в формуле (7) показывает сколько графического матери- ала и текста отработано из общего объема проекта. Для организации проектирования необходимо знать затраты труда по формированию модели объекта. Нормативы по затратам труда име- ются во всех проектных организациях. Общие затраты труда определя- ются по формуле ¦ n i i 1 о T T , (8) где T i – затраты труда для i-й части модели. 16 17 Формула (7) для готовности документации по трудозатратам примет вид Г(t) = Т о (t)/Т о . (9) Эффективность проектирования определяется отношениями для i-й части модели: i i i J T Ф ; для модели в целом о о T Ф J i . (10) Формулы (9) и (10) показывают, сколько чел.-ч затрачивают проек- тировщики на разработку единицы готовой продукции в проекте (черте- жа, страницы). Сравнение этих показателей с нормативными дает воз- можность судить об успешности работы сотрудников проектной органи- зации. Сложнее обстоит дело в управлении строительством, где значитель- ная часть информации, особенно устной, не фиксируется, теряется. Но и здесь есть возможность сравнивать фактические и нормативные показа- тели выполнения строительных работ, чтобы вносить необходимые кор- рективы. 2. Информационные системы и комплексы 2.1. Информационное обслуживание общества Потребителем информации в обществе является население, при этом его различные категории пользуются информацией различным образом. В работе [11] приведен анализ структуры населения для некоторого зам- кнутого региона и показано, что доля населения i-й категории определя- ется отношением продолжительности нахождения человека в этой кате- гории t i к средней продолжительности жизни Т: T t D i i ' . (11) Например, если для дошкольников t i = 7 лет при средней продол- жительности 70 лет, то доля дошкольников в общей массе населения со- ставит 10 , 0 70 7 дш D . (12) На рис. 4 показана структура населения для замкнутого региона. Население региона Неработающие пенсионеры и инвалиды 20 % Работающие 50 % Учащиеся 20 % Дошкольники 10 % Трудовые ресурсы Специалисты С высшим проф. образованием 10 % Со средним проф. образованием 10 % С начальным проф. образованием 20 % Без квалификации 10 % Рис. 4. Структура населения для замкнутого региона Человек как потребитель информации, которую он получает извне, по-разному к ней относится и по-разному оценивает ее полезность для себя в течение своей жизни. На рис. 5 показано это обстоятельство. Объем данных д V представляет собой потенциальные возможнос- ти человека в овладении имеющейся в обществе информацией, т. е. его тезаурус [6], количество полезной информации J , которое каждый че- ловек определяет для себя сам, выражается в значении коэффициента содержательности C . В первые годы жизни коэффициент C близок ок к единице – человеку все интересно и он всему учится. После 18–20 лет человек резко сокращает область интересующей его информации. Он узнает все больше о все меньшем. Равновесие в этом процессе насту- пает тогда, когда его потребности становятся равными возможностям. 18 19 В 30–50 лет человек – узкий специалист в избранной отрасли знаний. В пенсионном возрасте круг интересов его снова расширяется, но при этом снижаются его физиологические возможности воспринимать и ис- пользовать информацию. T, лет T, лет д V д V C J ) (t U а) б) С Рис. 5. Изменение отношения человека к информации в течение жизни Кривая ) (t U на графике рис. 5, а отражает процесс накопления знаний dt t K t J t U T ³ ) ( ) ( ) ( 0 , (13) где K(t) – коэффициент, характеризующий потерю ранее полученных знаний к моменту времени t, 1 ) ( d t K За счет этого параметра кривая ) (t U опускается ниже своего мак- симума для возраста более 40–60 лет. Зависимости, показанные на рис. 5, имеют качественный характер, но и в таком виде они показывают насколько сложным является процесс получения и использования информации. Информационное обслуживание населения должно быть построе- но таким образом, чтобы общий д.о V (предлагаемой к использованию информации) удовлетворял потребностям всех категорий населения: ¦ m i i i N D V V 1 д д.о , (14) где i V д – предлагаемый объем данных для одного человека i-й категории населения; D i – доля категории; N – общее количество людей в регионе. Категории населения и их доли в структуре населения приведены на рис. 4. Что же касается предлагаемого объема данных i V д для челове- ка на каждом отрезке его жизни, то здесь нужно учитывать два обстоя- тельства: 1) сколько собрано информации по конкретному направлению раз- вития научно-технического прогресса; 2) каковы физиологические возможности человека по восприятию этой информации, каков его тезаурус. Эти обстоятельства приводят к необходимости решать все более острую проблему разрыва между накапливаемой информацией и ее ис- пользованием [4]. Другой проблемой является поиск разумного соотно- шения между свободным доступом и ограничением доступа к информа- ции. Это становится важным в вопросах соблюдения государственной, коммерческой или личностной тайны, в решении проблем ответственно- сти, безопасности, цензуры, этики, информационной культуры. Информационное обслуживание населения осуществляется с по- мощью информационных систем (ИС), предназначенных для организа- ции хранения, пополнения, поддержки, поиска и представления пользо- вателям информации в соответствии с их запросами [14]. Различают три группы служб информации, представляемые различ- ными информационными системами: информационные системы общего назначения – библиотеки, книжные магазины, средства массовой информации, предприятия куль- туры; учебные заведения для подготовки специалистов всех отраслей народного хозяйства. В этих информационных системах работа с инфор- мацией является основным видом деятельности; специальные информационные системы, которые являются час- тью производственно-административных организаций (служб), для ко- торых информация является лишь сопутствующим предметом деятель- ности, обеспечивающая основное производство. В строительстве таки- ми системами являются службы автоматизированного проектирования и управления (САПР и АСУ). Далее рассмотрим функциональные схемы и структуры различных информационных систем. 20 21 2.2. Информационные системы общего назначения Организационная структура информационной системы (ИС) обще- го назначения приведена на рис. 6. Директор ИС Заместитель Основные службы Вспомогательные службы Комплектования Отображения Переработки Выдачи Хранения Охраны Материально- технического обеспечения Кадров Рис. 6. Организационная структура ИС Основные службы ИС соответствуют всем видам работы с инфор- мацией по обслуживанию потребителей по функциональной схеме, по- казанной на рис. 7. Пользователь Правила поиска Хранилище Переработка Отображение Комплектование Оценка Документирование Выдача Примером информационной системы общего назначения является библиотека СПбГАСУ, структура которой показана на рис. 8. Проректор по учебной работе Методическая комиссия Библиотечный совет Библиотека Заведующий Заместитель Проректор по научной работе Отдел интеллектуаль- ной собственности Отдел комплектова- ния Отдел общественно- политической литературы Отдел учебной литературы Отдел научной литературы Социально- экономическая литература Художественная литература Обслуживание младших курсов Обслуживание средних курсов Обслуживание иногородних студентов Обслуживание сотрудников Хранение литературы Межбиблио- течный Читальный Рис. 8. Структура библиотеки СПбГАСУ Для повышения эффективности работы библиотеки руководством вуза принимаются меры по оснащению библиотеки вычислительной тех- никой и программными средствами. Аналогичную структуру имеют информационные системы для ру- ководителей различных предприятий [9]. Эти системы обслуживают про- цедуру подготовки, принятия и реализации решений (рис. 9). Потоки информации циркулируют в системе управления в виде документов, к которым предъявляются следующие требования [15]: 1) число документов должно быть оптимальным; 2) документы должны содержать лишь необходимые сведения; Рис. 7. Функциональная схема ИС 22 23 3) в документах не должно быть дублирования; 4) документы должны быть логично построены для заполнения; 5) документы должны быть построены по утвержденному стандарту. Этап I. Выявление цели Анализ состояния Прогноз состояния системы Выявление проблемы Формирование целей Этап II. Выработка и принятие решения Постановка задачи Формирование вариантов решения Согласование, утверждение решения Выбор вариантов Этап III. Организация исполнения, контроль План реализации Координация выполнения решения Учет и контроль Рис. 9. Схема принятия и реализации решения Успешность работы предприятия целиком и полностью определя- ется эффективностью использования информационных систем руковод- ством этих предприятий. Учебные заведения для подготовки специалистов всех отраслей народного хозяйства также можно отнести к разновидности информаци- онных систем общего назначения. В качестве примера на рис. 10 приве- дена структура вуза СПбГАСУ. Факультеты СПбГАСУ готовят специалистов: 1. Архитектурный – архитекторов. 2. Строительный – инженеров-строителей промышленного и граж- данского строительства, реставрации и реконструкции. * По уч еб но й рабо те ** По на уч но й ра бо те ** * По адм инист ра тивно -хо зя йс тв ен но й рабо те Ри с. 1 0. Ст ру кт ур а СП бГ А С У 24 25 постоянный (жесткое – hardware) и переменный (мягкое – software) вид. Постоянное обеспечение включает в себя главным образом техни- ческое оборудование, вычислительную технику со всеми средствами механизации; переменное – это программные и другие виды обеспече- ния, все, что оперативно можно менять и применять на этой технике в зависимости от решения конкретных задач. Проектирующие подсистемы предназначены для создания инфор- мационных моделей объекта во всех частях проектно-сметной докумен- тации, технологической, архитектурно-строительной, инженерных сетей и оборудования, организации строительства, технико-экономической. Автоматизированные системы управления (АСУ) представляют со- бой развитие блоков принятия и реализации решения в информацион- ной системе для руководителей производства (см. рис. 9). Информация, поступающая из САПР для АСУ, является исходной и обеспечивает весь процесс создания объекта строительства. |