Г. Ф. Пеньковский основы информационных технологий и автоматизированного проектирования в строительстве конспект
 Скачать 1.66 Mb.
|
|
3.2. Системный анализ, его этапы Системный подход в науке, в строительстве используется при ре- шении различных проблем. Проблема – это ситуация, требующая изуче- ния и разрешения, в которой необходимое расходится с действительным положением дел. Различают три типа проблем – структуризованные, слабострукту- ризованные и неструктуризованные проблемы. Структуризованными являются проблемы, поддающиеся четкой количественной формализации. Для их разрешения можно подобрать математический аппарат, который позволит найти нужное или оптималь- ное решение проблемы. 46 47 2-й этап. Выделение системы из среды На втором этапе исследования выявляется, что необходимо для реше- ния проблемы, от чего зависит решение, что следует включить в систему, направленную на решение проблемы, и что не включать, оставляя в ка- честве среды. К системе относятся все те элементы, которые тесно связа- ны между собой и могут существенно влиять на конечный результат (цель) функционирования системы. Внешняя (окружающая) среда также состоит из элементов, так или иначе влияющих на выделенную систему. Основанием для отнесения этих элементов к среде являются два обстоятельства. Первое – элементы мало влияют на состояние системы. Это влияние в процессе исследования выявляется количественно, и если оно оказывается существенным, то элемент может быть включен в систему. Второе – состояние элементов среды задано, не зависит от состояния системы и не может меняться ис- следователем. Так, для системы «Объект строительства» подготовка кадров явля- ется внешним элементом среды. Но если в процессе строительства ста- нет возможным существенно повышать квалификацию строителей и на- столько, что это сократит сроки строительства и повысит его качество, то подготовка строительных кадров может стать элементом системы. В конечном счете, выделение системы из среды является достаточ- но условным, направлено на упрощение ситуации и облегчение решения проблемы и, как всякое упрощение, приводит к определенным погреш- ностям в результатах исследования. Важно при этом не упустить глав- ных связей в системе и среде, что приходит с опытом исследователя. Результатом второго этапа является перечень элементов системы с указанием их свойств, влияющих на достижение конечной цели. 3-й этап. Определение промежуточных целей Достижение главной цели, сформулированной в проблеме, зависит от решения задач, представляющих собой некоторые цели, но более низ- кого уровня. Мероприятия для достижения конечной цели выявляются при построении дерева целей (ДЦ) – упорядоченной иерархии альтерна- тивных целей, характеризующей их соподчиненность и внутренние вза- имосвязи (рис. 20, а). Совокупность всех целей – главной и промежуточ- ных – в дереве целей называют также порфирианом по имени греческого Исследование и разрешение неструктуризованных проблем имеет общую закономерность, состоящую в том, что здесь на первых этапах обычно не требуется строгое математическое решение задач. В большин- стве случаев достаточно выработать генеральную линию решения про- блемы, затем в ходе ее реализации уточнять условия, конкретизировать задачи и решать их методами системного анализа. Процесс выработки мероприятий для разрешения проблемы с по- мощью системного анализа производится с разделением на следующие основные этапы: 1. Выявление и анализ проблемы. 2. Выделение системы из среды. 3. Определение промежуточных целей. 4. Выбор критериев, оценка альтернатив и принятие решения. 5. Диагноз существующей системы. 6. Проект организации системы. 7. Составление комплексной программы решения проблемы. Собственно анализом проблемы и возможностей ее разрешения являются первые пять этапов. Шестой и седьмой этапы представляют собой синтез всех результатов исследования, воплощенный в конкрет- ные организации системы и комплексные программы реализации при- нятого решения. Рассмотрим этапы поподробнее. 1-й этап. Выявление и анализ проблемы Этап является основополагающим для постановки исследования. На этом этапе осуществляется тщательное изучение обстановки, по- родившей проблему, проводится сбор данных по ее прошлому и на- стоящему, определяются тенденции дальнейшего развития. Произво- дится систематизация этих данных, выделение главного, чтобы отве- тить на вопрос, действительно ли здесь есть расхождение между тре- буемым и фактическим положением дел, не является ли проблемная ситуация надуманной, порожденной второстепенными обстоятельства- ми. Необходимость разработки проблемы нужно глубоко обосновать и указать тесные связи с другими проблемами. Результатом первого этапа является четкая формулировка проблемы как главной цели ис- следования с указанием глубины, масштаба, значимости и необходи- мости ее разрешения. 48 49 Дерево целей рекомендуется строить, начиная с верхней (главной) цели нулевого уровня, перемещаясь по уровням сверху вниз. Число уров- ней может быть 5–9. Полезнее учесть больше целей, чем упустить необ- ходимые. Многие цели на этом этапе исследования являются альтерна- тивными, охватывают возможные пути решения проблемы. Построен- ное ДЦ является его первым вариантом. Это граф-дерево с логикой «и/или», т. е. включает как единственно возможные, так и альтернатив- ные цели. Например, если целью является обеспечение жильем рабочих стро- ящегося предприятия, то подцелями могут быть (см. рис. 20, б): строи- тельство жилых домов блочного типа, строительство крупнопанельных домов, строительство домов из объемных блоков и т. д. Таким образом, результатом третьего этапа является построение первого варианта ДЦ, включающего все возможные промежуточные цели системы. 4-й этап. Выбор критериев, оценка альтернатив и принятие решения Чтобы принять то или иное решение, необходимо получить инфор- мацию о его последствиях (прогноз). Осуществляется это в процессе формализации связей в системе целей, моделирования и оценки состоя- ния системы после принятия решения. Для такой оценки необходимо выбрать критерии, которыми можно было бы руководствоваться на этом этапе исследований. Критерием является мера эффективности избираемого пути к дос- тижению цели. Критериями могут быть затраты материальных ресур- сов, труда или времени. Они могут быть простыми или комплексными, включающими в себя несколько показателей. Выбор критерия определя- ется конкретными целями на разных уровнях ДЦ и таким образом, что- бы критерии наиболее полно учитывали связи между отдельными целя- ми, их влияние на достижение конечной цели. Вопросы моделирования систем и оценки альтернатив рассматрива- ются ниже. Будем полагать, что результаты оценки альтернатив известны. После оценки и сравнения альтернатив малозначащие цели ДЦ уда- ляются, остаются основные, соответствующие наиболее эффективному решению проблемы. Выбор или принятие решения представляет собой переход ДЦ от графа-дерева с логикой «и/или» к графу с логикой «и». философа Порфирия, в работах которого встречается аналогичная сис- тематизация целей. Иерархия уровней ДЦ указывает на то, что цели вышестоящих сту- пеней достигаются лишь в результате реализации подцелей, на которые они распадаются. Подцели являются средствами к достижению выше- стоящей цели и в то же время сами являются целью для более низкой ступени. По мере перехода от цели к подцели они приобретают более конкретный характер. Отметим, что возможен и обратный подход к по- строению ДЦ – по принципу построения алгоритмов, когда уровни ДЦ соответствуют последовательности достижения промежуточных целей сверху вниз. Главное, чтобы ДЦ представляло собой единую, но и дета- лизированную цель рассматриваемой системы. а) 0 X 11 X 12 X 13 X 21 X 22 X Цель системы Цели 1-го уровня Цели 2-го уровня б) Строительство жилых домов Блочного типа Крупнопа- нельных Из объем- ных блоков Кирпич- ных Шлако- блочных Обеспечение жильем рабочих Рис. 20. Дерево целей 50 51 и конкретизировать, распределить их во времени, закрепить отдельные вопросы за определенными исполнителями, создать систему руководства, координации и ответственности. Большое внимание в комплексной про- грамме должно быть уделено всестороннему обеспечению функциони- рования системы (взаимодействию, организации материально-техничес- кого снабжения). Направленность комплексной программы на достижение конечной цели при решении проблемы с помощью системного анализа отличает такой подход от традиционного планирования «от достигнутого», кото- рое долгое время применялось и еще применяется в отдельных отраслях народного хозяйства страны. 3.3. Методы принятия решений в проектировании Комплексная программа решения проблемы и проект организации системы, разрабатываемые на завершающих этапах системного анализа, включают в себя различные количественные показатели (сроки, затраты средств). Чтобы эти показатели и программа в целом были обоснованными, реальными для выполнения и предусматривали наилучшие способы ре- шения задач, составлению программы должна предшествовать большая работа по прогнозированию состояния системы вплоть до полного дос- тижения главной цели. Эта задача решается с помощью исследования операций – науки, предметом которой является количественное обоснование решений во всех областях целенаправленной человеческой деятельности. Для прогноза состояния системы строится ее упрощенная модель, на которой и производится исследование для выявления наилучшего спо- соба действий при решении той или иной задачи. Процесс моделирова- ния системы является неотъемлемой частью исследования операций и системного анализа. Построение моделей, их использование и обра- ботка результатов моделирования систем осуществляются методами ма- тематического программирования, разработанными для решения экст- ремальных задач. В зависимости от вида математических связей, используемых для описания состояния системы, различают 6 основных видов математи- ческого программирования: линейное, нелинейное, дискретное, целочис- ленное, стохастическое и динамическое. В линейном программировании В результате отсекаются цели, не играющие важной роли или не обеспе- ченные ресурсами, убираются взаимоисключающие технологически не- совместимые цели, делается выбор по всем конкурирующим вариантам, и оставляются наиболее приемлемые в конкретных условиях функцио- нирования системы. В результате 4-го этапа формируется окончательный вариант ДЦ, представляющий собой решение исследователя. 5-й этап. Диагноз существующей системы Проблемы, решаемые с помощью системного анализа, обычно по- являются в существующих структурных образованиях. В какой-то сис- теме эту проблему или близкую к ней пытались разрешить, следователь- но, там есть некоторая исходная информация по проблеме и результатам ее анализа, которые целесообразно использовать. В результате 5-го этапа исследования выясняется, что можно ис- пользовать в рамках существующей системы для решения проблемы, обеспечив максимальную экономию времени и материальных ресурсов. 6-й этап. Проект организации системы Для построения (синтеза) новой системы, способной решить по- ставленную проблему, исходной базой является окончательный вариант ДЦ. На каждом уровне иерархии ДЦ определяют силы, средства, струк- туру организаций для достижения подцелей соответствующего уровня с учетом возможностей существующих организаций, которые при необ- ходимости могут быть реорганизованы. 7-й этап. Составление комплексной программы решения проблемы Программа – это планируемый комплекс экономических, техничес- ких, социальных, исследовательских и проектных мер, направленных на достижение общей цели в установленные сроки. Основой комплексной программы, как и проекта организации системы, является ДЦ. Каждая цель при этом трансформируется в функцию, осуществляется переход от целевой к динамической структуре. Основная задача плана – перевес- ти результаты системного анализа на язык экономики, детализировать 52 53 Опыт показывает, что такие идеальные условия для решения про- блем создаются чрезвычайно редко. С помощью строгих математичес- ких методов удается решать весьма ограниченный круг задач. Точность решений оказывается не всегда высокой, так как не всегда можно подо- брать математическую модель, адекватно отражающую конкретную си- туацию. Кроме того, недостаточно точными оказываются исходные дан- ные, а во многих случаях задачи по разным причинам приходится ре- шать в условиях недостаточной информации. Особенно часто такая си- туация возникает при решении неструктуризованных проблем, когда связи в системах и критерии оценки состояния систем не могут быть описаны строгими математическими функциями. Для принятия решений в этих условиях применяются экспертные методы. Сущность экспертных методов состоит в том, что для оценок явле- ний и выработки предложений привлекаются высококвалифицирован- ные специалисты, обладающие необходимой профессиональной подго- товкой, опытом и интуицией. Эксперты выполняют роль советников лиц, принимающих решения. Экспертные методы применяются в форме экспертиз – индивиду- альных или групповых, очных или заочных. Для проведения экспертиз назначается руководитель, на которого возлагается подбор экспертов, выявление мнений экспертов и анализ результатов экспертизы. Экспертные методы ориентированы на использование группы спе- циалистов. Однако, как показывает опыт, коллективное мнение не всегда бывает правильным. Решающим является уровень компетентности спе- циалистов. Много неквалифицированных специалистов не могут заме- нить одного высококвалифицированного. Чтобы экспертиза была успешной, к экспертам при подборе предъяв- ляются следующие требования: достаточная компетентность по решае- мой проблеме, объективность и независимость эксперта, принципиаль- ность, практичность и самокритичность. Выявление мнений экспертов в различных методах осуществляет- ся разными способами. При заочной экспертизе («метод Дельфи») оценки экспертов полу- чают в форме ответов на вопросы специально заготовленных анкет. Оп- росы экспертов могут быть одноэтапные и многоэтапные, с обратной связью. Во втором случае после каждого очередного опроса экспертам сообщают результаты предыдущего этапа, а также имеющиеся расхож- связи между элементами системы выражены линейными функциями, в нелинейном – нелинейными функциями. Динамическое программирова- ние применяется для исследования систем, свойства которых изменяют- ся во времени. В исследовании операций различают следующие этапы работы: 1. Постановка задачи. 2. Построение модели системы. 3. Проверка адекватности модели в системе, выяснение, достаточ- но ли точно модель отражает свойства реальной системы. 4. Решение поставленной задачи с помощью модели (моделирование). 5. Реализация результатов исследования. Вопросы построения моделей систем и их использование при ре- шении различных задач в строительстве изложены в 1.4. Здесь же ограничимся сделанным выше перечислением этапов ис- следования операций, чтобы показать место и роль моделирования сис- тем в процессе выработки решений. Ряд задач при моделировании систем приходится решать в услови- ях неопределенности и противоречивости целей, когда параметры сис- темы могут меняться в широких пределах. Для обоснования решений в этих условиях применяют специальный математический аппарат – тео- рию игр, позволяющую выработать стратегию по рациональному образу действий участников конфликтной ситуации (игры). Особенность при- нимаемых решений здесь состоит в том, что каждый из участников игры ставит перед собой собственные цели, отдельные из которых могут про- тиворечить целям других участников. Разрешая такие противоречия, те- ория игр дает возможность найти наиболее эффективный путь к дости- жению общей цели в проблемной ситуации. Для моделирования сложных систем с большим числом элементов и стохастическими связями между ними используются также методы теории массового обслуживания, экспертные методы принятия решений. Все эти методы при главенствующей роли исследования операций явля- ются комплексным математическим инструментом решения задач сис- темного анализа. Математический аппарат исследования операций дает возможность успешно решать задачи управления строгими логико-математическими методами в тех случаях, когда проблема является структуризованной, все связи в системе поддаются формализации и необходимая информация для описания состояния систем имеется в полном объеме. 54 55 между собой. Но парное сравнение не дает полного ранжирования объек- тов. Это достигается при дальнейшей обработке результатов. Непосредственная оценка состоит в том, что объекты оцениваются в принятой системе оценок на непрерывной числовой оси – в долях еди- ницы, в баллах с применением 5-, 10- или 100-балльной шкалы. Последовательное сравнение заключается в комплексном измере- нии с ранжированием и непосредственной оценкой объектов, с коррек- тировкой ранга парным сравнением. Среднее мнение всей экспертной группы получают как среднеариф- метическое значение оценок экспертов, а степень согласованности мне- ний экспертов оценивают коэффициенты вариации. Мнение экспертов можно полагать достаточно согласованным, если коэффициент вариации не превышает значения 1/3. При больших значениях коэффициента ва- риации результаты экспертизы использовать не рекомендуется. В любом случае экспертные оценки являются лишь ориентиром для руководителей, принимающих решение. Последнее слово всегда за ними, на них же возлагается и ответственность за принятое решение. 3.4. Искусственный интеллект, экспертные системы Применение системного анализа к решению проблем в строитель- стве в значительной мере зависит от уровня системного мышления лиц, принимающих решения. Помимо экспертных методов, описанных ранее, в помощь экспертам и руководителям экспертиз в последние годы разра- ботаны системы искусственного интеллекта – экспертные системы (ЭС). Такие системы представляют собой комплекс программ, позволяющий в диалоговом режиме с ЭВМ расширить интеллектуальные возможнос- ти специалиста-эксперта по выбору решений в конкретной предметной области, используя записанные в память ЭВМ данные и знания специа- листов, накопленный опыт. ЭС содержит необходимую информацию и правила ее использования при обосновании принимаемых решений ме- тодами системного анализа. Идея создания искусственного интеллекта (ИИ) возникла с появле- нием вычислительной техники и ее успешным применением в творчес- кой деятельности человека. В создании ИИ наметились два подхода – структурный и функциональный (феноменологический). Структурный подход представляет собой создание модели – копии человеческого мозга со всеми атрибутами его функционирования. Одна- дения, и предлагают высказать свои соображения о причинах разногла- сий. В последующих опросах эксперты могут изменить свои оценки, опираясь на аргументированные доводы других экспертов, если они по- кажутся им достаточно убедительными. Очные экспертизы предусматривают непосредственное общение экспертов между собой. Формы очной экспертизы – интервью, дискус- сия, совещание с коллективной генерацией идей. Наиболее распространенной формой очной экспертизы является проведение дискуссии по проблеме («метод сценариев»). Дискуссия со- стоит в свободном высказывании экспертами своих мнений с доказатель- ством или опровержением других мнений по поводу развития событий (сценария). В процессе дискуссии происходит постепенное сближение точек зрения. После обсуждения может быть принято более или менее единодушное решение. Дискуссия является наиболее оперативной фор- мой выработки коллективного решения, однако она имеет и существен- ный недостаток. Решение может оказаться неправильным, если оно про- диктовано конъюнктурными узковедомственными соображениями, при- нято под давлением авторитетов, занимающих необъективную или оши- бочную позицию. Поэтому в организации дискуссии очень важно создать обстановку, способствующую свободному высказыванию, без оглядки на авторитеты и боязни давления заинтересованных лиц. Близкой по форме к дискуссии является коллективная генерация идей («метод мозговой атаки»). Метод реализуется в два этапа. На пер- вом этапе высказываются идеи решения проблемы пусть даже без стро- гих доказательств и их проверки. На втором этапе производится отбор идей для реализации. Обработка результатов экспертизы осуществляется методами мате- матической статистики по оценкам экспертов, полученными различны- ми методами измерения: ранжированием, парным сравнением, непосред- ственной оценкой или последовательным сравнением. Ранжирование – это расположение объектов в порядке предпочте- ния. Полученный ряд представляется в форме числовой последователь- ности. Присваиваемые объектам числа, определяющие степень их пред- почтительности, называют рангами. Наиболее предпочтительному объек- ту по заданному критерию (признаку) присваивается первый ранг, менее предпочтительному – второй ранг и т. д. Парное сравнение представляет собой способ установления пред- почтения объектов путем сравнения каждой возможной пары объектов 56 57 щего рецептора. Цифровая модель образа становится его эквивалентом во всех последующих процедурах приема, переработки и передачи ин- формации. Несколько сложнее обстоит дело с распознаванием звуковой и осо- бенно речевой информации. Устная речь представляет собой последова- тельность элементарных звуков и пауз (фонемов). Каждая фонема имеет цифровой код, все фонемы записаны в память ЭВМ и соответствующие им звуки воспроизводятся синтезатором речи. Чтение текста и озвучива- ние достигается относительно просто. Проблемы возникают с распозна- ванием речи. Человеческое ухо делает это значительно лучше, чем элек- тронная техника, которая не улавливает особенностей каждого голоса. Появляется необходимость в настройке системы приема звуковых сиг- налов на их источник, на голос диктора. К настоящему времени наметились успехи в обучении ЭВМ, на- коплении знаний и их использовании без прямого участия человека. Од- нако в области логики действий и особенно в условиях недостатка ин- формации поле деятельности для создателей ИИ остается открытым. Функциональный подход в создании ИИ стал основой разработки экспертных систем в различных отраслях знаний. Ниже приведены при- меры таких систем. DENDRAL. Разработана в середине 70-х годов в Стенфордском университете для распознавания молекулярной структуры органических соединений. MYCIN. Разработана там же в помощь физиологам при диагности- ке и лечении менингита и бактериальных инфекций. PROSPECTOR. Разработана в Стенфордском университете в конце 70-х годов для исследования и обнаружения полезных ископаемых. С помощью этой системы было открыто месторождение молибдена в штате Вашингтон. CADUCEUS. Разработчик Попл, 1982 г. ЭС диагностики внутренних болезней. База знаний включает около 500 болезней и 100 000 симптомов. В настоящее время в США, Германии, Японии и других развитых странах разработаны и используются сотни ЭС, в том числе и в строи- тельстве. Это ЭС для проектирования стальных конструкций (SSPG), оболочек (BUCKLING EXPERT), железобетонных балок (GEPSE), мос- товых ферм (BTEXPERT, RTEXPERT), состава бетона (DURCON) и мно- гие другие. ко наши научно-технические достижения в создании ЭВМ не дают пока возможности скопировать работу такого сложного созданного природой механизма мышления, как человеческий мозг. Модель получается очень громоздкой и примитивной в функционировании. Более успешным оказался функциональный путь создания ИИ. Суть его состоит в разработке программных средств для ЭВМ, обслуживаю- щих конкретные функции в деятельности человека и работающих по логическому принципу: если исходные условия определены и заданы, то на выходе ЭВМ выдаст вполне конкретный результат, полученный по заранее разработанному алгоритму в форме текста или числа. Диалог человека с машиной в этом случае вполне напоминает общение с разум- ным существом. В действительности за человеком всегда сохраняется начальная и конечная функция (постановка задачи и ответственность за результат). Человек никогда не сможет конкурировать с ЭВМ по скорос- ти и точности вычислений, работоспособности, информационной емко- сти и долговременности памяти. Отсюда – необходимость обоснованно- го распределения функций между человеком и ЭВМ в автоматизирован- ном проектировании и управлении строительством. Отметим здесь ряд нерешенных пока проблем, над которыми рабо- тают создатели ИИ. Это проблемы: распознавания образов по комплексу признаков; классификации объектов, сортировки по их свойствам; обучения ЭВМ, накопления знаний и их использования без пря- восприятия языка человека в письменной и звуковой форме; выполнения логических действий, особенно в условиях недо- статка информации. Проблема распознавания образов решается с помощью оптических систем. Объект проецируется на экран-решетку из искусственных рецеп- торов (фотоэлементов). Каждый рецептор образует электрический сиг- нал, зависящий от уровня освещенности и цвета. Сигнал квантуется по уровню и кодируется цифрой. При черно-белом изображении код сигна- ла состоит из двух символов – 0 и 1, соответствующих черному и белому цвету. Коды сигналов для цветных изображений включают две цифры – первая характеризует интенсивность освещения, вторая – место в цвето- вом спектре. Таким образом, с помощью сигналов от рецепторов форми- руется цифровая оптическая модель образа, его формализованное пред- ставление, включающее координаты точек и код сигнала соответствую- 58 59 нее будут учтены все эти факторы при создании системы «Мост», тем полнее будет реализован системный подход в организации сквозного ав- томатизированного проектирования и управления строительством этого объекта. Мостовая ферма 100 ft < пролет < 520 ft Пролет < 180 ft Тип фермы 1 Пролет 360–520 ft Тип фермы 3 Пролет 180–360 ft Тип фермы 2 100–125 125–150 151–180 361–420 421–470 471–520 Тип нагрузки 1 2 3 Сталь М183 Сталь М223 Сталь М244 Оптимальная высота и число панелей Рис. 22. Дерево целей в ЭС BTEXPERT |