Пеньковский Г.Ф. Основы информационных технологий и автоматизированного проектирования в строительстве

Подождите немного. Документ загружается.

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

Технолог

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.

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)

Цель системы

Цели 1-го уровня

Цели 2-го уровня

б)

Строительство

жилых домов

Блочного

типа

Крупно

а-

нельных

Из объ

м-

ных блоков

Кирпи

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. Точно сть

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. Ус т н а я 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 <180f

Тип фермы 1

Пролет 36

–520 f

Тип фермы 3

Пролет 180–36

Тип фермы 2

100–125 125–150 151–180 361–420 421–470 471–520

Тип нагрузки

12 3

Сталь М183 Сталь М223 Сталь М244

Оптимальная высота и число панелей

Рис. 22. Дерево целей в ЭС BTEXPERT

4. Информационные модели объектов строительства

4.1. Понятие модели и моделирования

Автоматизированное моделирование систем является относитель-

но новым направлением в науке, и терминология здесь еще полностью

не сложилась. Различные авторы по-разному трактуют понятия модели

и моделирования. Обобщая предложения по терминологии в этой облас-

ти, под моделью системы будем понимать некоторую упрощенную сис-

тему, обладающую

основными свойствами исходной системы, подле-

жащей исследованию.

В качестве примера рассмотрим работу с ЭС США BTEXPERT для

проектирования мостовых ферм. Схема ЭС представлена на рис. 21.

Пользователь

Интерфейс

пользователя

Подсказка

Блок

объяснений

Механизм

вывода

(ввод/выво

)

База знаний,

данных и правил

Рис. 21. Схема ЭС

Работа пользователя построена по принципу выбора решений из

числа возможных и содержащихся в базе знаний. Механизм вывода обес-

печивает вывод нужной информации по запросу пользователя с подсказ-

кой при затруднениях и с пояснением по принимаемым решениям.

Возможные (альтернативные) проектные решения для мостовых

ферм включены в ДЦ, показанное на рис. 22.

Двигаясь по ДЦ

сверху вниз, пользователь выбирает варианты ре-

шений, соответствующие его исходным данным и получает решение с

оптимальной по стоимости высотой фермы и соответствующим числом

панелей.

Как видно из примера, ЭС дает возможность сделать первые шаги в

организации сквозного автоматизированного проектирования и управ-

ления строительством, получить оптимальное значение высоты фермы

из сталей разных марок.

Однако за пределами оптимизации остаются

другие факторы, влияющие на выбор решений при системном подходе.

Ферма является лишь элементом пролетного строения моста, системой

же является весь мост с опорами, при этом возможны различные типы

пролетных строений, различные опоры, материалы и технологии произ-

водства работ, различные условия эксплуатации моста с соответствую-

щими затратами, надежностью

и долговечностью конструкций. Чем пол-