Г. Ф. Пеньковский основы информационных технологий и автоматизированного проектирования в строительстве конспект
 Скачать 1.66 Mb.
|
|
системой понимают целостный комплекс взаимосвязанных элементов, объединенных общей целью функционирования системы. В любом объекте существует бесконечно большое количество внут- ренних связей и связей внешних с окружающими его объектами. Тем не менее, говоря о системе, подразумевают некоторое достаточно ограни- ченное число связей, обеспечивающих функционирование объекта (сис- темы) и достижение некоторой цели, представляющей интерес в конк- ретном исследовании. Понятия цели и связей формируются исследова- телем и носят субъективный характер так же, как и системы в целом. Однако субъективизм в понятии системы не означает, что она существу- ет только в сознании исследователя. В сознании отражается его пред- ставление о системе, условно отделяемой от всего остального матери- ального мира. Отметим здесь, что в теории систем встречается также такое понятие, как парадигма системы – концептуальная схема и мо- дель решения некоторой проблемы с помощью системы, построенной автором исследования. В зависимости от цели и подхода конкретного исследователя один и тот же объект или процесс может быть представлен различными систе- мами. Так, наш университет можно рассматривать как объект системы образования (одна цель) и как строительный объект – здание (другая цель). В первом случае элементами системы являются студенты, преподавате- ли, кафедры, учебный отдел, т. е. элементы, имеющие отношение к глав- ной цели системы, – к организации учебного процесса для получения студентами образования по определенной специальности. Во втором случае университет представляет собой строительный объект – здание, элементами которого являются несущие и ограждаю- щие конструкции (фундаменты, стены, перекрытия), инженерные ком- муникации, т. е. элементы, обеспечивающие необходимые условия для протекания внутренних технологических процессов в здании. Из определения системы как совокупности элементов следует, что элементом является некоторая минимальная часть системы, не подлежа- щая дальнейшему расчленению в конкретном исследовании, обладаю- щая определенной самостоятельностью и влиянием на цель функциони- рования системы. Элементы могут быть однородными (однотипные бал- ки в перекрытии здания) и неоднородными (балки, фермы, колонны в каркасе здания). Понятие элемента, как и самой системы, зависит от цели исследо- вания. Свойства элемента, отличающие его от других объектов, опреде- примере с жилым домом микроподход проявляется в принятии объемно- планировочных и конструктивных решений, в разработке проекта инженерных коммуникаций здания. Аналогично поступают при решении вопросов организации строи- тельства. Например, принимается решение о создании строительной орга- низации для выполнения строительно-монтажных работ в определенном районе. За систему принимают создаваемую строительную организацию. Окружающая среда – это потенциальные потребители строительной про- дукции (заказчики), поставщики строительных материалов, конструкций, энергосистема, транспорт, базы и склады материально-технического снаб- жения, предприятия здравоохранения, образования и т. д. На макроуров- не строительная организация рассматривается как некоторая автоном- ная система, взаимодействующая с окружающей средой. На этом уровне решаются вопросы снабжения строительной организации, обеспечения транспортом, энергетическими ресурсами, вопросы создания необходи- мых бытовых условий для рабочих и служащих. На микроуровне реша- ются вопросы формирования внутренней структуры строительной орга- низации, управления подразделениями для достижения целей строитель- ного производства в заданном районе. Понятие «системный анализ» у различных авторов имеет двоякое толкование. В узком смысле слова системный анализ представляется как совокупность методологических средств, применяемых для подготовки и обоснования решений по сложным проблемам управления производ- ством в различных сферах деятельности человека. Основой системного анализа является системный подход, его принципы и методы решения проблем. По существу системный анализ рассматривается как метод ре- ализации системного подхода к управлению производством, когда каж- дая проблема представляется как система целей с учетом связей с мно- жеством других проблем и аспектов. В широком смысле слова под системным анализом часто понима- ют именно системный подход к решению проблем в различных исследо- ваниях. Применение системного анализа в строительной отрасли дает возможность обоснованно принимать решения в проектировании, воз- ведении и эксплуатации объектов строительства. Основные положения системного анализа, его этапы и методы решения задач в строительстве излагаются в 3.2. Рассмотрим основные понятия теории систем для последующего их использования в системном анализе. 36 37 Процессор Прямая связь Вход Выход Обратная связь Рис. 16. Функциональная структура системы Функциональные части системы соединяет прямая связь: вход – процессор – выход. Связь называется обратной, если она соеди- няет выход с входом. Рассмотрим классификацию и способы представления систем. По разным признакам и свойствам элементов различают ряд клас- сификаций систем. Таблица с общей классификацией систем приведена ниже. Классификация систем Признак (основание) Виды систем Природа элементов Абстрактные, материальные Происхождение Естественные, искусственные Характер поведения Управляемые, неуправляемые Степень сложности Простые, сложные Отношению к среде Открытые, замкнутые Длительность существования Постоянные, временные По природе элементов системы могут быть абстрактные и матери- альные. Абстрактные системы созданы воображением человека и не име- ют прямого аналога в реальном мире (языки, системы счисления, систе- мы понятий). Материальные системы состоят из реальных (физических) элементов. Они делятся на механические, биологические и социальные. По происхождению системы бывают естественные и искусствен- ные, созданные человеком. По характеру поведения различают управляемые и неуправляемые системы. Из управляемых систем выделяют системы с ручным управле- ляют его значение, роль в достижении системой цели функционирова- ния. Свойства элементов являются критерием, по которому исследова- тель включает или не включает их в состав системы. Это свойство эле- ментов, имеющее отношение к цели исследования, называется характе- ристикой, а ее численное значение является параметром элемента (объемный вес, влажность, температура). Так, элементами рамы, как некоторой подсистемы в общей системе каркаса здания, являются ригель, стойки, фундаменты стоек. Эти эле- менты обладают комплексом свойств, характеризующих материал (проч- ность, цвет, влажность, объемный вес, модуль упругости, стоимость и т. д., размеры, условия работы). Однако если целью исследования является оценка прочности рамы, то характеристиками элементов будут лишь те их свойства, которые влияют на прочность рамы (прочность материала, сечение элемента, условия его работы). Состояние системы определяется множеством значений парамет- ров ее элементов в данный момент времени. Переход системы из одного состояния в другое характеризуется изменением значения хотя бы одно- го из параметров. Аналогичным образом определяется и состояние среды, окружаю- щей систему. При этом совокупность состояний системы и среды в неко- торый момент времени принято называть ситуацией. Взаимодействие элементов системы между собой происходит бла- годаря связям между ними. Связи элементов в системе обладают в боль- шей или меньшей степени синергическими свойствами (при совместном действии таких связей общий эффект увеличивается больше, чем от про- стого сложения действий связей). Связи могут быть механическими, энер- гетическими, информационными или сочетать в себе все эти разновид- ности в различных комбинациях. Любая система или ее элемент в процессе функционирования и проявления связей приобретает функциональную структуру (рис. 16), включающую в себя три составных части: вход – воспринимающий изменения в других элементах или внеш- ней среде, окружающей систему; выход – выдающий результат воздействия на систему в виде новых параметров ее состояния (отклик, реакция системы); процессор – преобразующий параметры на входе в параметры сис- темы на выходе 38 39 ^ ` ^ ` ^ ` ¦ F x M , , : , (15) где – система; {М} – совокупность элементов; {x} – совокупность связей; F – функция (новое качество) системы. Выражение для структуры системы имеет вид ^ ` ^ ` ^ ` ¦¦ x M ˆ , ˆ : , (16) где ^ ` Mˆ – совокупность групп элементов; ^ ` xˆ – совокупность связей между группами элементов. Функция F в формуле (16) опущена, так как структура безотноси- тельна к этой функции. Новые качества в системе определяются не струк- турой, а количественной реализацией связей в системе. Для аналитической формы представления систем характерна высо- кая компактность, но она не обладает достаточной наглядностью. При графическом описании систем с использованием схем, графи- ков, чертежей значительно повышается наглядность описания. При этом широкое применение в идентификации систем получила теория графов, основные понятия которой полезно знать для последующего примене- ния в системном анализе. Графом называется геометрическая фигура, состоящая из вершин (узлов) и ребер (дуг). степенью данной вершины. Если (А), (В)... степени вершин А, В и т. д., то общее число ребер в графе определяется по формуле > @ E B A n U U U 2 1 . (17) Нуль-граф состоит из одних вершин. В полном графе каждая пара вершин соединена ребром, в неполном графе некоторые ребра могут от- сутствовать. Вершины А и В (рис. 17, а) связаны между собой, если они соедине- ны какой-либо последовательностью ребер (цепью). Если цепь замкну- та, то она называется циклом. Граф является связным, если любую пару его вершин можно соединить некоторой цепью. Несвязный граф состоит из отдельных несвязных элементов. нием, автоматизированные и автоматические. Ручное управление осу- ществляется человеком. Автоматизированные системы имеют техничес- кие средства, помогающие человеку управлять системой. Автоматичес- кие системы функционируют без прямого участия человека. По степени сложности системы бывают простые и сложные. В про- стых системах преобладают однородные элементы. Для сложных систем характерно большое разнообразие элементов, их возможных состояний, неопределенность и сложность выполняемых функций, сложный харак- тер связей между элементами с большим объемом информации, переда- ваемой по связям. В теории систем и в теории информации существуют количественные критерии, оценки объема и сложности циркулирующей в системе информации, по которым можно судить, какова степень слож- ности той или иной системы. По отношению к среде системы являются открытыми или замкну- тыми. Открытые системы взаимодействуют с окружающей средой, что отражается на их состоянии. В замкнутых системах взаимодействие со средой отсутствует или им пренебрегают в каких-то конкретных иссле- дованиях. По длительности существования системы могут быть постоянные и временные. Постоянные системы не меняют своей структуры и свойств в исследуемом периоде времени, а временные – меняют структуру или свойства. Заметим, что использование классификации систем должно быть тесно увязано с понятием системы и соответствующей цели исследова- ния. Один и тот же объект может быть представлен разными видами си- стем в зависимости от цели и задач исследования, как было показано ранее на примерах систем. Для описания свойств или представления (идентификации) систем используется несколько форм: словесная (текстуальная), аналитическая и графическая. Словесное описание является наиболее распространенной формой представления систем. С его помощью можно достичь высокой степени подробности, однако описание в такой форме трудно воспринимается и плохо поддается формализации. Аналитическая форма представления систем включает в себя сово- купность математических зависимостей и символов, описывающих струк- туру и связи в системах. Так, содержание системы можно представить в обобщенном кортежном виде 40 41 дублирования связи между пунктами. Для построения решения в виде графа-дерева используется простое правило экономичности. На каждом шаге построения дерева берется самое дешевое из возможных ребер, не образующих цикла. Построение начинается с двух пунктов с наимень- шей стоимостью дороги между ними (рис. 17, г). Цифрами показана пос- ледовательность соединения пунктов. До сих пор описывались графы неориентированные. Граф, на кото- ром указано направление каждого ребра, называется ориентированным или орграфом. Ориентированные графы используются при анализе транспортных систем, в задачах управления строительством (при сетевом планирова- нии). Его удобно представлять в более компактной форме матрицы (рис. 17, д), что облегчает расчеты сетевых моделей в различных зада- чах. В ячейках матрицы записывается информация о наличии или отсут- ствии связи (1 или 0). Здесь может указываться и другая информация, представляющая интерес для расчетов в задачах планирования (продол- жительность работ, стоимость, трудоемкость и т. п.). При построении сетевых графиков находят применение изоморф- ные графы, которые имеют одинаковое число вершин и соответствую- щие друг другу ребра (рис. 17, е). Изоморфные графы имеют одинаковое число ребер, однако их размеры и форма могут быть различными. Изо- морфные графы считаются равными и взаимозаменяемыми, если нет специальных оговорок. В процессе описания систем с помощью теории графов осуществ- ляется структурный анализ систем, анализ всех связей между элемента- ми системы. Процесс выделения элементов системы и установления свя- зей принято называть структуризацией. Глубина структуризации зави- сит от значимости влияния элементов на свойства системы. При реше- нии практических задач структурного анализа сложных систем могут осуществляться три уровня описания связей между элементами. На первом уровне устанавливается наличие или отсутствие связей между элементами. Система представляется в виде неориентированного графа непосредственных связей, при этом устанавливается, является ли граф (система) связным или он может быть представлен в виде отдель- ных подграфов (подсистем). На втором уровне устанавливается направление и пути передачи сиг- налов между элементами, определяются входные, управляющие и выход- ные полюсы. Система представляется в виде ориентированного графа. Граф называется эйлеровым, если он имеет цикл, содержащий каж- дое ребро графа по одному разу (рис. 17, б). Такой граф можно полнос- тью обойти, проходя по каждому ребру только один раз (по эйлеровой линии). Этим свойством обладают графы, степени всех вершин которых четны. Эйлеров граф представляет интерес при составлении экономичных маршрутов движения транспорта в строительстве, при разработке тех- нологических карт на строительные процессы. Аналогично эйлеровым линиям в графах могут быть гамильтоновы линии, проходящие через все вершины по одному разу. Рис. 17. Виды графов Графом-деревом называется связный граф, не содержащий циклов (рис. 17, в). Графы-деревья служат наглядным и эффективным средством решения задач, связанных с транспортом. В частности, очень важной является задача прокладки инженерных коммуникаций (дорог, линий электропередач и т. п.). Задача ставится следующим образом. Имеется n населенных пунктов (объектов), которые требуется соединить между собой сетью дорог (коммуникаций). Для каждой пары пунктов известна стоимость соединяющей их дороги, если бы она была построена. Необ- ходимо построить самую дешевую из всех возможных сетей дорог без 42 43 Строительство Здание Изыскания Проект Эксплуатация Рис. 18. Структура системы «Здание» в процессе его создания и эксплуатации (во времени) Здание Технологи- ческая часть Архитектурно- строительная часть Инженерные сети и обору- дование Технология Оборудование Объемно- планировочное решение Конструкции Водоснабжение Канализация Отопление Вентиляция Рис. 19. Структура системы «Здание» в процессе его функционирования (в пространстве) Однако, признавая необходимость системного подхода к решению строительных проблем, мы пока далеки от его полной реализации на практике. Дело в том, что многие связи в строительных системах трудно формализовать в математической постановке, что необходимо для обра- ботки информации на вычислительной технике в процессе принятия На третьем уровне определяются виды сигналов в связях (входные или управляющие), отношения предшествования (следования), класси- фицируются все источники и потребители сигналов. Затем система пред- ставляется двумя ориентированными графами – графом непосредствен- ного следования для передачи входных сигналов и графом непосредствен- ного подчинения для передачи управляющих сигналов. В результате структурного анализа устанавливается состав и строе- ние системы, связи со средой, связи внутри системы и их характер, опре- деляется иерархия элементов в их отношениях следования и управления. На практике при описании систем обычно используют все ранее указанные формы представления систем – текстуальную, аналитическую и графическую – в различном сочетании, обеспечивающем достаточную полноту, компактность и наглядность изображения системы. При автоматизированном проектировании объектов строительства системный подход становится обязательным для применения, что отме- чается в технологических правилах проектирования [8]. С развитием науки и техники объекты строительства становятся все более сложными комплексами зданий и сооружений, обеспечиваю- щих новые технологические процессы в промышленности, в организа- ции повседневной деятельности и жизни человека. Такие объекты пред- ставляют собой многоуровневые строительные системы с огромным числом внутренних и внешних связей, проявляющихся во времени и в пространстве. На рис. 18 показана система «Здание» в процессе его создания и эксплуатации (во времени), а на рис. 19 – в процессе функционирова- ния (в пространстве). Все элементы этих двух систем одного объекта тесно связаны между собой, а связи элементов описываются полным гра- фом. Технологический процесс в здании прямо влияет на его объемно- планировочное решение и инженерное оборудование. В свою очередь, объемно-планировочное решение определяет пролеты несущих конст- рукций и нагрузки на них. Есть и обратные связи. Если выбранное архи- тектурное решение не обеспечено конструктивным исполнением, то ма- териалы и конструкции могут повлиять на выбор архитектуры здания и даже на технологический процесс. Нет необходимости описывать все прямые и обратные связи в сис- темах. Наличие их очевидно, а необходимость учета таких связей при проектировании и управлении строительством давно уже признается все- ми участниками строительного процесса. 44 45 Слабоструктуризованные проблемы включают в себя не только количественные оценки (параметры), но и качественные показатели, ко- торые не поддаются четкой формализации и могут учитываться лишь весьма приблизительно. Трудно учитывать, например, психологические или социальные факторы. Неструктуризованные проблемы включают в себя практически одни качественные показатели и разрешаются эвристическим путем с широ- ким привлечением экспертных оценок, научных гипотез и интуиции ис- следователей. В качестве примеров можно указать следующие проблемы. Струк- туризованная: проблема исследования и оценки напряженно-деформи- рованного состояния конструкций сложного сооружения. Слабострук- туризованная: проблема определения нового норматива по производи- тельности труда комплексной бригады, состоящей из строительных ра- бочих разных специальностей. Неструктуризованная: проблема разра- ботки архитектурного облика города. Большинство встречающихся в жизни проблем являются слабострук- туризованными и разрешаются с той или иной степенью приближения. Неструктуризованные проблемы с помощью различных приемов также сводят к решению слабоструктуризованных и структуризованных проблем. Системный анализ является частью общей теории систем и наряду с другими науками – исследованием операций, кибернетикой, системотехникой – дает возможность решать все наиболее важные про- блемы народного хозяйства с позиции системного подхода. В отличие от исследования операций, занимающегося разрешением структуризован- ных проблем, системный анализ представляет собой широкую и уни- версальную методологию решения слабоструктуризованных проблем, методологию исследования труднонаблюдаемых, плохо поддающихся формализации процессов и объектов, которые представляются в каче- стве целенаправленных систем. Главное в системном анализе – найти простое в сложном, превратить трудноразрешаемую проблему в чет- кую серию достаточно простых задач. Если в исследовании операций возможен поиск оптимального решения, то в системном анализе важна постановка задачи, структуризация проблемы и нахождение рациональ- ных решений, которые не всегда могут быть оптимальными. При этом после структуризации проблемы математический аппарат исследова- ния операций может быть использован в качестве инструмента систем- ного анализа. решений. Многие связи описываются лишь качественно, на уровне экс- пертных оценок типа «лучше», «хуже». Не сформирована пока и общая методология принятия решений для сложных систем. Поэтому примене- ние системного подхода в строительстве во многом зависит от опыта и интуиции руководителей производства, является скорее искусством, чем наукой. В проектных организациях координацию работ по выполнению отдельных частей проекта с позиций системного подхода осуществляет главный инженер (или архитектор) проекта. При строительстве объектов эту функцию выполняет руководитель строительной организации. В последние годы методология принятия решений в строительстве получила широкое развитие. Созданы новые программные средства, обес- печивающие связи между элементами сложных систем в процессе про- ектирования и управления строительством с использованием единой информационной базы. Разработаны экспертные системы, информаци- онно-поисковые системы, помогающие принимать решения с примене- нием методов системного анализа. Это новое направление в строитель- ной науке получило название сквозного автоматизированного проекти- рования и управления, целью которого является конечный результат, т. е. заданные показатели состояния строительной системы в целом, а не от- дельных ее элементов. Из теории систем известно, что глобальный оптимум критерия для системы (конечный результат) не является простой суммой локальных оптимумов для ее элементов. Для получения глобального оптимума в процессе его поиска приходится отклоняться от локальных оптимумов элементов в ту или иную сторону, учитывать технологическую совмес- тимость решений. |