Методы передачи информации в САПР

УДК 69:004.652

Г.Г. Малыха, С.А. Синенко, М.С. Вайнштейн, О.Б. Гусева

ФГБОУВПО «МГСУ»

МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В САПР

Рассмотрено взаимодействие информационных систем в процессе строительного проектирования, отдельное внимание уделено режимам передачи и преобразования данных, проблемам в этой области и способам их решения.

Ключевые слова: строительное проектирование, САПР, взаимодействие программного обеспечения, передача и обработка данных, форматы файлов.

Взаимодействие информационных систем в строительном проектировании. В ходе выполнения строительного проекта информация многократно передается, рассматривается, перерабатывается и сохраняется. Информация передается как на бумажных (в основном официальные документы для согласования и утверждения), так и на электронных носителях. При этом возникают значительные организационные и технические проблемы, связанные с задержками времени, лишними трудозатратами, потерей информации или с неправильным ее истолкованием. Развитие система автоматизации проектирования (САПР) не снимает эти проблемы, а, напротив, выдвигает их на первый план.

В самом деле, в практике различных проектных организаций можно наблюдать, как инженер-расчетчик вводит данные в программу расчета конструкций методом конечных элементов (МКЭ), пользуясь архитектурным планом на бумажном носителе. Затем инженер-конструктор выполняет чертеж с помощью САПР, ориентируясь на распечатку данных расчетов. Сметчик вводит вручную данные из спецификаций, составленных с помощью САПР. Наконец, специалист по организации строительства разрабатывает ПОС по весьма укрупненным нормативам, так как быстро подсчитать объемы работ, указанные в сметах, он не в состоянии. Естественно, включение ручных работ в технологическую цепочку разработки проекта приводит к появлению «узких мест», снижению темпа работ и возникновению ошибок в проектно-сметной документации.

Кроме того, невозможность быстрой стоимостной оценки инженерного решения практически лишает проектировщиков возможности выбирать оптимальное или хотя бы экономически рациональное решение. Без такого механизма все предложения по вариантной проработке проектов останутся практически невыполнимыми из-за недостатка времени и невозможности точной оценки разницы в объемах конструкций и работ.

В 1994—1996 гг. были проведены совместные исследования Московского государственного строительного университета и Берлинского технического университета по исследованию передачи данных в международных строительных проектах. Исследования показали возможность такой передачи, однако выявили определенные узкие места в такой технологии.

Так, в связи с большим количеством версий чертежа и значительным объемом самих чертежей, переведенных в текстовой формат, нагрузка на каналы связи довольно значительна. В связи с этим необходимо применение специальной системы, реализующей некоторые логические операции над чертежами: определения разности чертежей и их слияние. При этом по сети передается только разность (внесенные в чертеж изменения), а в месте приема производится слияние и восстановление первоначального вида документа. Кроме того, загрузка чертежа из текстового формата также занимает довольно много времени. Необходимы также специальные системы регистрации версий документа, поддержки принятия решений о внесении исправлений в документ при слиянии и обеспечения согласованности чертежей.

© Малыха Г.Г., Синенко С.А., Вайнштейн М.С., Гусева О Б, 2011

159

Упрощенная схема передачи данных по коммуникационному каналу между удаленными разработчиками проекта включает источник чертежа (активный модуль САПР), преобразователь данных в формат STEP, модуль вычисление разности по сравнению с предыдущей версией чертежа, канал передачи данных, анализатор изменений, модуль слияния разности с основой чертежа, преобразователь данных в формат САПР. Кроме того, могут быть модули поддержки принятия решений и обеспечения согласованности чертежей.

Более сложная схема обработки чертежа включает согласование изменений и циклический возврат управления к разработчику, который несет ответственность за правильность проекта и является лицом, принимающим решение. Хотя эта схема действительна и для бумажной обработки информации, имеется в виду, прежде всего, электронная обработка. В этом случае под «разработчиками» следует понимать автоматизированные рабочие места (АРМ), оснащенные элементами САПР и работающие под управлением и с участием того или иного специалиста. АРМ связаны, как правило, локальными или глобальными сетями передачи данных.

Современная технология подготовки проектной документации невозможна без постоянной передачи данных от одного автоматизированного рабочего места к другому. При этом необходимы частое преобразование информации, проверка и сравнение данных.

Методы передачи и преобразования проектной информации. Поскольку проектная информация сосредоточена в документах (в широком понимании), то передача информации происходит дискретно, в основном в виде документов или их частей. Если говорить об информации в электронном виде, то существует два основных режима ее передачи от одного программного приложения к другому: непосредственно в виде последовательности электронных сигналов (так называемый режим «on-line», т.е. «на линии») и через файл, записанный на магнитном носителе (режим «off-line», т.е. «вне линии»). В первом случае, когда обе программы должны работать одновременно (хотя могут быть разделены в пространстве) обычно говорят о протоколе передачи данных, во втором случае — о формате записи данных в файл. Для содержательной составляющей информации разница в этих режимах не существенна, поэтому будем собирательно называть как протоколы, так и форматы языками. Поскольку режим «off-line» технологически более универсален (не требует одновременной работы программ), следует, прежде всего, рассмотреть форматы записи данных.

Задача полноценной передачи информации в рамках информационных технологий находится в центре внимания разработчиков и ученых в этой области. Так, уже в 1970-х гг. компаниям, работающим в области САПР, стало ясно, что невозможно выполнить комплексный проект при наличии нескольких разнородных систем. Основным решением на многие годы вперед стало стремление разработать универсальный язык (протокол, формат), который бы отображал основные данные, выдаваемые САПР, и легко читался бы компьютером. Кроме того, у разработчиков обычно возникает желание, чтобы такой язык был бы понятен и человеку — это могло бы помочь в некоторых случаях.

В первую очередь возникла необходимость передачи унифицированных геометрических данных. В 1979 г. Национальный институт США по стандартизации совместно с компаниями Боинг и Дженерал Электрик разработали по заказу ВВС США формат данных IGES (Initial Graphic Exchange Standard), который не зависел от конкретной системы САПР. Он мог передавать сложные геометрические данные, например, сплайновые поверхности.

Затем фирмой Autodesk был разработан формат DXF (drawing exchange format), в первую очередь применительно к пакету AutoCAD. Формат достаточно распространен и по сей день и в настоящее время поддерживает разнообразную трехмерную графику. Различные форматы были разработаны также фирмами Graphisoft, Spatial corp.и др. Однако они, как правило, ограничивались передачей геометрических данных и вспомогательных данных для визуализации тел, что было явно недостаточно для полноценной работы индустриальных информационных технологий.

Параллельно с развитием аналитико-геометрических моделей совершенствовались методы передачи растровых изображений, т.е. плоских изображений, передающих цвет и яркость зрительного поля по отдельным точкам. При небольших объемах информации для передачи растровых изображений использовались форматы Windows Bitmap BMP (*.bmp) и PC Paintbrush (*.pcx), которые запоминают «картинку» по точкам. В настоящее время для ускорения передачи в сетях применяются также «сжатые» форматы File Interchange Format JPEG (*.jpg, .jpeg), Tag Image File Format TIFF (*.tif), Portable Network Graphics (*.png), Graphics Interchange Format GIF (*.gif) и др. В САПР они могут быть использованы для запоминания внешнего вида материалов, фона и других изображений.

Особенность САПР и ряда других автоматизированных систем (например, Facility Management) заключается в наличии как графических, так и инженерно-технологических (в основном алфавитно-цифровых) данных. Для хранения алфавитно-цифровых данных используются обычно реляционные базы данных, которые, как сказано выше, плохо приспособлены для хранения данных о геометрии и топологической структуре тел. Поэтому основное направление в практическом решении вопросов совместимости САПР заключается в разработке универсального формата, пригодного для описания различных типов данных, встречающихся в САПР.

С 1983 г. под эгидой международной организации по стандартизации ISO ведется разработка универсального формата STEP (Standard for the Exchange of Product model data). Он был призван передавать не только геометрические данные, но и технические данные о моделируемых изделиях, их материалах и других параметрах. Формат получил статус международного стандарта и имеет развитую структуру. Так, описанные исследования были выполнены с применением формата STEP. Основой описания объектов и классов в этом формате является язык EXPRESS. Так же, как и DXF, он имеет текстовую форму и пригоден для чтения человеком, однако весьма громоздок. Сам стандарт состоит из многих частей, которые до настоящего времени не разработаны полностью, однако до полного описания предметных областей, используемых в САПР, все равно очень далеко. Кроме того, чтение формата человеком возможно лишь теоретически.

В 1994 г. несколько американских компаний основали группу для изучения современных информационных технологий в промышленности и строительстве. В 1996 г. на основе этой группы был создан Международный союз по совместимости программ (International Alliance for Interoperability, IAI), который в настоящее время объединяет более 600 организаций — разработчиков и пользователей САПР.

Основным результатом деятельности IAI является разработка и поддержка системы основных промышленных классов IFC (Industry Foundation Classes), описывающих многочисленные технические понятия, в т.ч. и в строительстве. Предусматривается информационная поддержка всех направлений строительства в течение жизненного цикла объекта. Однако IFC базируется на формате STEP и поэтому обладает теми же основными недостатками, т.е. громоздкостью и сложностью описания.

Имеются также иные разработки универсальных форматов для технических данных, основанные на языке XML (bcXML, MicroGDS XML и др.). В 2002—2004 гг. A.C. Павловым был разработан язык bodXML, который описывает предметную область строительства.

Передача, преобразование и использование информации в системах строительного проектирования. Развитие информационных технологий в строительстве связано с необходимостью взаимодействия различных информационных систем, в т.ч. компьютерных программ различного назначения и различных фирм-производителей. В строительной информатике необходимо устойчивое взаимодействие архитектурных, конструкторских и расчетных программ, а также программ организационно-экономического направления. В частности, возникает задача выборки объемов работ из строительных чертежей, выполненных автоматизированным способом, и передачи их в информаци-

онные системы управления проектами, планирования и определения сметной стоимости. Поскольку требования к качеству и скорости выполнения проектно-сметной документации в целом постоянно возрастают, повышается и актуальность обеспечения надежного взаимодействия смежных информационных систем.

Для каждого строительного проекта создается огромное количество информации, однако лишь небольшая часть может быть без искажений передана от одного участника проекта другому. Большая часть полезной информации теряется или становится недоступной остальным участникам. Много информации, напротив, излишне дублируется, что приводит к появлению различающихся версий одного документа. Компьютерные программы часто используются автономно, данные от одного АРМ к другому передаются вручную.

Имеющиеся методы преобразования информации с помощью стандартизованных форматов данных (например, DXF), как правило, ведут к потере содержательной информации при переходе от одной автоматизированной системы к другой, так как различные программы имеют разный перечень передаваемых данных. Так, после перевода данных из архитектурно-строительной САПР в формат DXF и обратно наблюдается потеря информации о соединении элементов изображения в агрегированный компонент, о принадлежности линий изображению строительных конструкций и даже иногда о толщине и цвете линий.

Указанные недостатки приводят к ошибкам в проектно-сметной документации, переделкам, задержкам в осуществлении проекта, удорожанию строительно-монтажных работ, экономическим потерям как у инвесторов, так и у подрядчиков. Поэтому имеется практическая необходимость в разработке информационной среды, в которой передача информации могла бы осуществляться без задержек и потерь, независимо от вида установленного программного обеспечения и расположения АРМ.

При существующих методах программирования типы всех объектов, используемых при передаче данных, должны быть описаны заранее, что ограничивает возможности САПР по применению новых типов. Должна быть возможность динамического создания объектов классов, которые бы не были заранее внесены в перечень элементов языка.

Практически не применяется распознавание объектов при передаче данных. Между тем способность ПО к распознаванию хотя бы основных строительных конструкций могла бы решить ряд проблем при обмене данными строительных программ и программ иного назначения, которые на практике часто взаимодействуют. Достаточно упомянуть такой популярный программный продукт, как AutoCAD, в электронных чертежах которого не содержится данных о строительных конструкциях. Такие чертежи при передаче в другие системы приходится обрабатывать вручную.

Проблемы информационного обмена возникают также при проверке и последующей обработке данных. Сравнительно немногие программные средства позволяют выявить коллизии, возникающие при пересечении конструкций и других строительных объектов в пространстве. Не имеется возможности автоматизированной интеллектуальной обработки данных на этапе создания организационно-технологической и сметной документации. Например, не разработаны методы определения объемов работ по конструктивным чертежам. Между тем отечественные методы сметных расчетов нацелены, прежде всего, на перечни объемов работ, а не на перечни конструкций.

Среди научных исследований также лишь немногие работы посвящены исследованию совместимости работающих программных продуктов. Не решены научно-методические проблемы разработки универсального формата данных, классификации сопоставимых семантических понятий в предметной области, распознавания объектов САПР. Это приводит к выводу о том, что обоснование научных методов передачи и преобразования данных в системах строительного проектирования представляет собой важную и актуальную задачу [1—3].

Библиографический список

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

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

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

Поступила в редакцию в декабре 2011 г.

Об авторах: Малыха Галина Геннадьевна — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой строительной информатики, ФГБОУ ВПО «МГСУ», 129337, г. Москва, Ярославское ш., д. 26, 8-(499)-188-51-10, ksi@mgsu.ru;

Синенко Сергей Анатольевич — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве, ФГБОУ ВПО «МГСУ», 129337, г. Москва, Ярославское ш., д. 26, 8-(499)-183-49-06, sasin50@mail.ru;

Вайнштейн Михаил Семенович — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве, ФГБОУ ВПО «МГСУ», 129337, г. Москва, Ярославское ш., д. 26, 8-(499)-183-49-06, office@mosproject.ru;

Гусева Ольга Борисовна — доцент кафедры строительной информатики, ФГБОУ ВПО «МГСУ», 129337, г. Москва, Ярославское ш., д. 26, 8-(499)-188-51-10, ksi@mgsu.ru.

Для цитирования: Методы передачи информации в САПР / Г.Г. Малыха, С. А. Синенко, М.С. Вайнштейн, О.Б. Гусева // Вестник МГСУ. 2012. № 1. С. 159—163.

G.G. Malykha, S.A. Sinenko, M.S. Vainstein, O.B. Guseva

METHODS OF INFORMATION TRANSMISSION IN CAD SYSTEMS

The paper regards interaction of information systems in construction design process, giving attention to the modes of data transmission and transformation, file formats used, as well as the problems and probable solutions in this sphere.

Key words: structural design, CAD system, software interaction, data transmission and transformation, file formats.

References

1. 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.

2. 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.

3. 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: Malykha Galina Gennad'evna — Doctor of Technical Sciences, professor, head Department of Civil Engineering Informatics, MSUCE, 129337, Moscow, Yaroslavskoje sh., 26, 8-(499)-188-51-10, ksi@mgsu.ru;

Sinenko Sergey Anatol'evich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor information systems, technology and automation in construction, MSUCE, 129337, Moscow, Yaroslavskoje sh., 26, 8-(499)-183-49-06, sasin50@mail.ru;

Vainstein Michael Semenovich — Doctor of Technical Sciences, professor of information systems, technology and automation in construction, MSUCE, 129337, Moscow, Yaroslavskoje sh., 26, 8-(499)-183-49-06, office@mosproject.ru;

Guseva Olga Borisovna — Associate Professor of Computer Science Building, MSUCE, 129337, Moscow, Yaroslavlskoje sh., 26, 8-(499)-188-51-10, ksi@mgsu.rualykha.

F o r c i t a t i o n: Malyha G.G., Sinenko S.A., Vainstein M.S., Guseva O.B. Metody peredachi informacii v SAPR [Methods of information transmission in CAD systems]. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no 1, Pp. 159—163.