Системный анализ объектов и процессов автоматизации проектирования в строительстве

УДК 69:658.511

П.А. Лавданский, A.C. Павлов, О.В. Игнатьев*

ФГБОУВПО «МГСУ», ФГБОУВПО «РУДН»

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ОБЪЕКТОВ И ПРОЦЕССОВ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Изложены основные принципы системного анализа, применяемого для разработки систем автоматизированного проектирования. Рассмотрены проблемы передачи и распознавания данных в таких системах.

Ключевые слова: строительное проектирование, системы автоматизированного проектирования, системный анализ, передача и распознавание данных.

Системотехника проектирования САПР. Автоматизированное проектирование представляет собой сложную динамическую открытую систему. В связи с этим для ее разработки и изучения должен применяться системный анализ. В первую очередь системный анализ связан с декомпозицией сложных систем и с изучением связей подсистем как между собой, так и с окружающим миром. При этом выявляется иерархия подсистем, оценивается существенность связей влияющих факторов, динамика происходящих в системе изменений.

В связи с этим к системам автоматизации проектирования (САПР) применимы основные системотехнические принципы, разработанные акад. A.A. Гусаковым. К ним в первую очередь относятся функционально-системный, интерактивно-графический, ими-тационно-моделирующий, инженерно-психологический, инженерно-экономический принципы. При разработке САПР применяются также принципы развития, совместимости и целостности связей между компонентами.

Как отмечал A.A. Гусаков, важнейшие системотехнические проблемы сосредоточены на стыках взаимодействующих систем, что является первоочередной областью применения системотехники как науки об управлении связями и отношениями. В этом контексте изучение передачи информации между системами и подсистемами САПР приобретает особое звучание как задача «перекрытия стыков» и «заполнения пробелов» в сложной структуре современного проектирования. При этом можно выделить три стадии организационного проектирования сложных проектно-строительных систем: макропроектирование — создание общей конфигурации САПР; микропроектирование — разработку отдельных подсистем САПР; инфрапроектирование — проектирование взаимосвязей подсистем и инфраструктуры САПР.

При этом проектирование сложных систем, как, например, и создание программного обеспечения, осуществляется итеративно, возвращаясь на определенном этапе к устранению выявленных недостатков.

Инфраструктура САПР, подобно транспортному хозяйству или кровеносной системе организма, обеспечивает регулярный перенос информации, преобразование ее в форму, пригодную для потребления тем или иным органом (подсистемой). При этом пропускная способность инфраструктуры во многом определяет способность к функционированию всей системы в целом. Проектирование инфраструктуры, не добавляя формально новой самостоятельной подсистемы, существенно улучшает качество функционирования САПР, осуществляя тем самым принцип эмерджентности сложной системы.

Поскольку любые составные части САПР воспринимают и производят информацию, то инфраструктурой охватываются все подсистемы, которые в различных ситуациях играют роль принимающих и производящих информацию.

© Лавданский П.А., Павлов А.С., Игнатьев О.В, 2011

177

На основании изучения методов проектирования и особенностей процессов планирования и проектирования можно выделить следующие функционально-системные составляющие проектируемой инфраструктуры САПР:

восприятие и первичное преобразование проектной (геометрической, предметно-ориентированной, условно-знаковой и иной) информации от производящих подсистем САПР и от внешних систем;

промежуточное хранение информации в независимом от приложений виде, удобном для восприятия и дальнейшей обработки;

интерактивное обогащение информации с созданием контекстной среды проекта; поддержка баз данных, содержащих необходимую для функционирования инфраструктуры информацию;

распознавание объектов, не сопровождаемых полноценной предметной информацией;

проверка согласованности проектных данных;

подготовка данных для принимающих подсистем САПР и внешних систем; обеспечение функционирования информационных систем управления проектированием, включая авторизацию и защиту данных.

Моделирующий принцип также играет важную роль в проектировании инфраструктуры. Инфраструктура, в которой осуществляется передача и преобразование проектных данных, является активной средой с элементами интеллекта, воспринимающей информацию не только формально, но и семантически. Только в этом случае может быть осуществлено полноценное преобразование и распознавание данных.

Семантика в данном случае означает «понимание» инфраструктурой основных понятий предметной области и значение передаваемой информации. Для обеспечения семантического распознавания данных необходим подробный анализ предметной области строительства с классификацией понятий, объектов и свойств.

Применение интерактивно-графического принципа заключается в данном случае в использование интерактивных возможностей диалога с проектировщиком с целью обогащения недостающей информации. Например, в файлах чертежей конструкций часто не содержится прямое указание на то, к какому зданию или этажу относится эта конструкция, в какой климатической зоне возводится здание, каково его назначение и т.п. Между тем эта информация активно используется в организационно-экономических программах для подбора расценок, выбора состава и последовательности работ.

Такую информацию наиболее точно может дать только проектировщик, опирающийся на собственное знание проекта. Эти данные должны быть собраны в отдельную структуру, которая хранится отдельно от файлов чертежей, чтобы не вызывать диалог заново при изменении деталей чертежа. Такую структуру называют контекстом проекта.

Применение инженерно-психологического принципа обуславливает проектирование «дружественного интерфейса» программного обеспечения (ПО), т.е. интуитивно понятного и однозначно трактуемого оформления диалоговых панелей программ, выдачи пользователю вразумительных сообщений и контекстных подсказок. При этом следует избегать повторных запросов одних и тех же данных, однако необходимо предоставить возможность изменить введенные данные в любой момент времени. Это особенно важно в свете необходимости создания упомянутого выше контекста проекта.

Кроме того, инженерно-психологические особенности работы за компьютером следует учитывать и при выборе схемы классификации понятий, так как диалоговый поиск нужного пункта часто занимает больше времени, чем собственно работа компьютера.

Важное место в методологии исследований инфрапроектирования приобретает инженерно-экономический принцип, так как на определенных этапах передачи и обработки информации возникает необходимость в принятии решений проектировщиком. Часто решения в области строительного проектирования являются многокритериальными, но выбор по экономическим критериям в эпоху становления рыночной экономики является одним из наиболее значимых.

178

1997-0935. Уе5Шк MGSU. 2012. № 1

Наиболее трудоемкой частью принятия решения является подготовка данных по сравниваемым вариантам. Автоматизация проектирования помогает снизить трудоемкость подготовки данных только в том случае, если осуществляется полноценная передача данных из инженерных проектирующих подсистем в организационно-экономические подсистемы. Только в этих подсистемах возможна обработка данных с целью подготовки принятия решения на основе экономических критериев.

Инфрапроектирование САПР. Инфрапроектирование САПР касается в той или иной степени всех сторон обеспечения САПР: технического, программного, информационного, лингвистического и др. Так, техническое (аппаратное) обеспечение инфра-проектирования состоит в подборе совместимых аппаратно-программных платформ, структуры локальной и корпоративной сети и конфигурирование выхода в глобальную сеть. Аппаратными платформами САПР являются персональные компьютеры и рабочие станции для АРМ, а также серверы (обслуживающие станции) локальной сети (файл-серверы, серверы базы данных, серверы печати документов и чертежей и др.). Как правило, аппаратные платформы различаются по названиям центральных процессоров ЭВМ и фирм-изготовителей, например, Intel Pentium (IBM) и его аналоги, Alpha (DEC), SPARC (Sun Microsystems), PA-RISC (Hewlett-Packard), Macintosh (Apple) и др. Поскольку технические характеристики компьютеров меняются очень быстро, описание аппаратного обеспечения, включая распространенные марки компьютеров и характеристики их составляющих, в монографии не приводятся.

Программными платформами являются операционные системы, ориентированные, как правило, на определенную аппаратную архитектуру центрального процессора: Windows, UNIX, Macintosh и др. Операционные системы обычно имеют модификации, применяемые для установки на сервер или АРМ. Выбор аппаратно-программных платформ обусловлен как потребностями, так и возможностями проектных организаций и должен проводиться специалистами по системному программному обеспечению с учетом проектируемого прикладного ПО.

Прикладное программное обеспечение часто выпускается в нескольких вариантах для различных операционных систем. Современные локальные сети, вообще говоря, могут поддерживать параллельную работу программного обеспечения на различных платформах, используя унифицированные протоколы передачи данных (TCP/IP и др.). Однако при проектировании или подборе основного ПО следует обращать особое внимание на совместимость программ по потоку проектной информации. Если форматы ввода и вывода информации различных составляющих ПО не соответствуют друг другу, следует принимать специальные меры по достижению интероперабельности ПО САПР. В этом случае следует создавать или подбирать специальное программное обеспечение инфрапроектирования: переходные модули для преобразования и верификации проектной информации, системы распознавания объектов и последующей обработки информации с целью ее подготовки для принимающих подсистем.

Информационное обеспечение инфрапроектирования заключается в создании и поддержании в актуальном состоянии семантических классификаций и словарей предметной области строительства. Эта задача очень объемна, но без ее решения невозможно правильное распознавание объектов проектной информации и выдача понятной пользователю итоговой информации. Целесообразно также создание баз знаний, как для распознавания текстовой информации, так и для верификации и последующей обработки информации. Следует отметить, что многие термины предметной области строительства не поддаются однозначной трактовке и интерпретируются по-разному в зависимости от контекста. В связи с этим распознавание объектов достижимо лишь с некоторой вероятностью, на что указывает и опыт применения систем распознавания графических и звуковых образов.

Лингвистическое обеспечение инфрапроектирования, в отличие от первоначально заложенного в это понятие смысла совокупности языков программирования и языков

общения человека с машиной, приобретает для инфрапроектирования САПР иной смысл. Для общения программных модулей непосредственно друг с другом необходим достаточно простой и однозначный «межмашинный» язык, который, однако, при необходимости мог бы быть прочитан и человеком. Для исследования лингвистического обеспечения привлекаются последние достижения в области разработки языков описания данных и обеспечения взаимодействия (интероперабельности) автоматизированных систем.

Проблема передачи и распознавания данных. Для исследования информационных процессов разработаны различные теории, отражающие общую методологию системного подхода к изучению проблемы. Одним из теоретических направлений, используемых в настоящем исследовании, является теория баз данных. В основном применяются реляционные и объектно-ориентированные базы данных, однако в последнее время используются и другие возможности, например, XML-базы данных.

Другим теоретическим направлением, связанным с информатикой и информационными проблемами, является инфография. Инфография как научное направление в системотехнике, основанное проф. В.О. Чулковым, касается фиксации мысленных моделей разработчика на различных носителях и обработки информации в сетях ЭВМ. Практической сферой применения инфографии является автоматизированное документирование. Инфография занимается также вопросами интеграции в области автоматизированной реализации геометрических моделей и их объектов в строительстве.

Для настоящего исследования наибольший интерес представляет инфографиче-ская систематизация моделей объектов и процессов. В результате отчуждения мысленной модели от субъекта последняя материализуется в виде физической, алгоритмической, математической, устной, графической или иной модели. Среди графических моделей выделяются текстовые, схематические и проекционные модели, совокупность которых отображается в документах инженерной деятельности.

К инфографическому взгляду на графическое моделирование тесно примыкает концепция графического словаря, как множества графических примитивов, имеющих определенное целевое назначение. При этом отдельные линии являются «буквами» графического языка, а комплексы линий — «словами» и «фразами» графического языка документа. Смысловое содержание знака, как и в структурной лингвистике, состоит из десигната (полного наименования), денотата (графического определения знака) и коннотата (в данном случае — атрибутов линий).

Для описания объектов при передаче данных необходимо их семантическое представление в рамках предметной области строительства. Такое представление может быть достигнуто, с одной стороны, применением методов моделирования объектов и, с другой стороны, применением методов их классифицирования.

При передаче информации в строительном проектировании могут быть случаи, когда принимающая подсистема не воспринимает семантическую составляющую информации, т.е. не идентифицирует передаваемое отображение объекта. При этом целесообразно применять системы распознавания образов, которые могут быть основаны на экспертных системах или на искусственных нейронных сетях.

Таким образом, существует ряд теоретических концепций и методов [1—4], позволяющих поставить и решить проблему передачи и распознавания информации между системами автоматизированного проектирования в строительстве. Однако ряд вопросов требует теоретической разработки и практической апробации. Так, недостаточно решены вопросы создания универсального языка для представления информации предметной области, то есть протоколов интероперабельности. Мало исследованы вопросы распознавания строительных объектов, в первую очередь трехмерных геометрических образов.

Библиографический список

1. Гусаков A.A. Системотехника строительства. М. : Стройиздат, 1993. 368 с.

180

ISSN 1997-0935. Vestnik MGSU. 2012. № 1

2. Малыха Г.Г. Научно-методологические основы автоматизации проектирования в международных строительных проектах : дисс. ... д-ра техн. наук. М. : МГСУ, 1999. 299 с.

3. Павлов A.C. Научные основы передачи информации и распознавания объектов в системах строительного проектирования : дисс. ... д-ра техн. наук. М. : МГСУ, 2003. 357 с.

4. Вайнштейн М.С. Методология многофункциональной автоматизации поэлементно-инвариантного проектирования зданий и сооружений : дисс. ... д-ра техн. наук. М. : МГСУ, 2005. 377 с.

Поступила в редакцию в декабре 2011 г.

Об авторах: Лавданский Павел Александрович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой строительства ядерных установок, ФГБОУ ВПО «МГСУ», 129337, г. Москва, Ярославское ш., д. 26, 8-(499)-183-26-74, syau@mgsu.ru;

Павлов Александр Сергеевич — доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Научно-образовательного центра инжиниринга в строительстве, автоматизированного проектирования, строительства, информационных технологий (НОЦ ИСАПСИТ), ФГБОУ ВПО «МГСУ», 129337, г. Москва, Ярославское ш., д. 26, 8-(499)-183-24-74, ksi@mgsu.ru;

Игнатьев Олег Владимирович — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой информационных технологий в образовании, ФГБОУ ВПО «РУДН», 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6, 8-(495)-434-32-44, oleg_ignat@mail.ru.

Для цитирования: Лавданский П.А., Павлов А. С., Игнатьев О.В. Системный анализ объектов и процессов автоматизации проектирования в строительстве // Вестник МГСУ. 2012. № 1. С. 177—181.

P.A. Lavdansky, A.S. Pavlov, O.V. Ignatiev

SYSTEMS ANALYSIS FOR OBJECTS AND PROCESSES OF DESIGN AUTOMATION IN CONSTRUCTION

The paper provides the basic principles of system engineering for development of computer aided design systems. The authors also considers the problems of data transmission and identification in such systems.

Key words: design process in construction, CAD systems, system engineering, data identification and transformation.

References

1. Gusakov A.A. Sistemotehnika stroitel'stva [Building's system engineering]. Moscow, Stroyizdat, 1993. 368 p.

2. Malykha G.G. Nauchno-metodologicheskie osnovy avtomatizacii proektirovanija v mezhdu-narodnyh stroitel'nyh proektah [Scientific and methodological principles of design automation in international construction projects], Moscow, MSUCE, 1999, 299 p.

3. Pavlov A.S. Nauchnye osnovy peredachi informacii i raspoznavanija objektov v sistemah stroi-tel'nogo proektirovanija [Scientific principles of information transmission and objects identification in construction computer aided design systems], Moscow, MSUCE, 2003, 357 p.

4. Vainstein M.S. Metodologija mnogofunkcional'noj avtomatizacii pojelementno-invariantnogo proektirovanija zdanij i sooruzhenij [Methodology of multifunctional automation of elemental and invariant design process of structures and buildings], Moscow, MSUCE, 2005, 377 p.

A b o u t a u t h o r s: Lavdansky Pavel Aleksandrovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Head Department of Construction of Nuclear Facilities, MSUCE, 26, Jaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russia, +7-(926)-910-40-51, isc@mgsu.ru;

Pavlov Aleksandr Sergeevich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chief Researcher, Research and Education Center in Engineering construction, Computer-aided design, Construction, Information technology, MSUCE, 26, Jaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russia, +7-(499)-183-24-74, ksi@mgsu.ru;

Ignatiev Oleg Vladimirovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Head Department of Information Technologies in Lifelong Learning, People's Friendship University of Russia, 6, Mikluho-Maklaj, Moscow, 117198, +7-(495)-434-32-44, oleg_ignat@mail.ru.

F o r c i t a t i o n: Lavdansky P.A., Pavlov A.S., Ignatiev O.V. Analiz integrirovannyh system projektirovania stroitelnyh objektov [Systems analysis for objects and processes of design automation in construction]. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no 1, Pp. 177—181.