CC BY
14ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ
Лебедев В.М., канд. техн. наук, доцент Белгородский государственный технолдгический университет им. В.Г. Шухова
Волков A.A. советник РАА СН, д-р техн. наук, профессор
ИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Информационная модель строительного производства (СП) строительно-монтажных организаций (СМО) по возведению объектов (комплексов) - это совокупность знаний об организационно-технологической последовательности выполнения строительных процессов во времени и пространстве, о потребностях в материально-технических, трудовых и финансовых ресурсах и их удовлетворении, а также о других задачах строительства формализованная в терминах описания строительного производства как объекта целевого управления. Целесообразно принять и адаптировать к предметной области следующий подход к формальному определению понятия «ситуация» и построению информационной модели строительного производства на возведении объектов [1].
Пусть реализовано в некотором смысле подходящее, а в общем случае иерархическое, разбиение (квантование) некоего целого строительного объекта на части, части частей и т.д. до уровня принципиально неделимык элементов, где вытолняет строительные процессы оптимально-минимальное количество исполнителей в определенное (заданное) время. Пусть I - множество (различный) имен всех элементов (системоквантов) разбиения. В дальнейшем, каждый элемент (системоквант) из множества I рассматривается в качестве активного объекта, способного находиться в любом состоянии х. из множества X., семейство (х.). е 1 - совокупность (непересекающихся, без исключения общности) множеств возможных локальнык состояний элементов (системоквантов) из I. Предположим реализуемую возможность фиксации множества ^ для каждого . е I тех состояний инык элементов (системоквантов) . е I, от которых зависит текущее состояние элемента (системокванта) I в каждый момент времени, при этом
Семейство е 1 - совокупность множеств локальных возмущений элементов (системоквантов) из I; бинарное отношение q = У _ ({.} х qi) - глобальное возму-
щение, множество Q = ^ | q с I х и X. л 1 с q} -пространство все возможных глобальнык возмущений,
где X = и I ({.} х X. ). Предположим, что в каждый момент времени каждый элемент (системоквант) из I может находиться только в одном состоянии из соответствующего ему множества X.; в модельном плане это означает, что в каждый момент времени реализуется отображение Д: I — У ^ X. , такое, что (е I—>1(1) еХ) т.е.
функция выбора. Такая функция есть конфигурация множества I в целом в данный момент времени, а множество F={f | Да —и 1 X. л(ЧХ.е I ^Щ)е X.)} - пространство всех возможных конфигураций. Если в данный момент оказалось, что для некоторых 1 е F и q С Q истинно е q(i), активизируется канал передачи сигнала от элемента (системокванта) ] к элементу (систе-мокванту) ^ т.е. объект ] становится источником информации для объекта ь Так как Д(]) е q(i) равносильно (У) е Д-1 о q и Д-1 о ^ Ы, приведенное бинарное отношение естественно назытать информационной структурой, сложившейся в системе I в данный момент времени, а множество R={r | (ЗД) (Зф(Д е F л qе Q лг =Д-1oq)} -пространством всех возможных информационных структур. Если ге R фиксированная информационная структура, то г(Г)С I - соответствующее множество источников информации для . С I. Если при этом г = Д то Дг(Г)) - есть совокупность воспринимаемые: в данныш момент объектом . С I входнык сигналов. Следует отметить, что при . ^ возможно Д(г(.))=Д(г(])), что приводит к потере фиксированной адресности входной информации. Для исключения сказанного, в рамках рассматриваемый: формальный: моделей предполагается, что в качестве обобщенного входного воздействия объект ^ I воспринимает не совокупность сигналов вида Д(г(.)), а объект {^хДТЩ), первыш множитель которого есть адресная метка поступления информации. Такой объект называется локальной входной буквой. Теоретико-мно-
жественное объединение S=. ^(ИхДг^))) всех входных
букв, появившихся на входах каждого i с I в данныш момент времени, есть ситуация, сложившаяся в системе I в этот момент. Основанием для такого определения термина «ситуация» служат следующие рассуждения. Из приведенных определений следует, что объект S можно представить в виде S=fof если г = а множество всех возможных ситуаций определяется равенством
3={в|(31) (Зя)Р е F д qе qе Q д8 - fof ■1oq)}. (2)
Очевидно, если sе S, то s = fof для некоторых
F и qе Q. что определяет 1 "1oq как информационную структуру, соответствующую
8 е S.s(i)=(fof -1oq)(I)=f(I) - есть глобальное состояние (конфигурация), соответствующее s е S, а^А^).е 1 - совокупность всех входных букв, воспринимаемых элементами системы в данной ситуации. Таким образом в едином понятии ««ситуация в данный момент времени» сосредоточены все характеристики, определяющие мгновенную конфигурацию и информационную обстановку в системе [2].
Формальная информационная модель возведения здания (сооружения) может быть построена на основании общих определений множеств имен элементов (си-стемоквантов) системы (I), пространства конфигураций (Б), информационных структур и ситуаций ф), рассмотренных выше. Рекомендуемые принципы и порядок построения такой модели состоят в следующем.
1. Множество I должно отражать иерархическую структуру организационно-технологической последовательности возведения объекта. Формально это означает, что не возникает модельное отношение древесного порядка, в котором имя целого объекта - корневая вершина, четко выделены уровни иерархии, элементы которых - суть имена элементов (системоквантов) последовательных членений целого. Древесныш порядок может быть представлен (конечной) совокупностью отношений эквивалентности при описании множества I в «обратном» порядке:
- выщеляется подмножество ^ с I !ринципиально (для данной задачи) неделимых элементов (системоквантов), фиксируется его естественное разбиение и вводится исходное отношение эквивалентности g1 с I х множество I принимается в качестве самого нижнего (последнего) уровня иерархии;
- строится фактор - множество
!2={У( 3^) (^е 11 д^= Я^О}))}, а также каноническое отображение к1: 12, определенное равенством
^={(^4^ | ^ е 11 дi2= g1({i1})}; множество \ принимается в качестве предпоследнего уровня иерархии, упорядоченные пары из к1 - в качестве организационно-технологических информационных связей;
- на множестве ^ фиксируется естественное разбиение, по которому вводится отношение эквивалентности g2с I2 х I2. строятся новые фактор-множество !3= {i3 | (3^)
(i2e I2 Ai2= g3({i2}))} и каноническое отображение к2: I2> I3 с интерпретациями, аналогичными интерпретациям схожих объектов на предшествующем уровне описания;
- аналогичные построения проводятся на всех последующих уровнях, включая второй, так что корневая вершина дерева оказывается общим именем элементов (системоквантов) второго уровня.
Таким образом возникает совокупность множеств Ip.. .,In, совокупности отношений эквивалентности gp..., gH и совокупности множеств упорядоченных пар кр..., кг
2. Вводится множество I0 имен объектов окружающей среды, поведение которых необходимо учесть в данной задаче. Множество I=I0 UIjU ... Uln объявляется множеством имен элементов будущей системы, подлежащей изучению; по построению эти множества попарно не пересекаются. Множество g = gtU... U gn называется конструктивным отношением эквивалентности на I, индуцирующим указанное разбиение I. Множество упорядоченных пар k = Ц U... U knl есть множество конструктивных (организационно-технологических) информационных связей, которые в совокупности определяют модель внутренней невозмущённой (проектной) информационной структуры поточного строительства объекта.
3. Для каждого i e I вводится множество X. возможных состояний, из которого выделяется подмножество (не обязательно собственное) допустимых состояний X.*.
4. Производится построение:
- пространства конфигураций F;
- пространства глобальных возмущений Q;
- пространства (возмущённых) информационных структур
R = {r | (3f) (3q) (f £ FHqe QHr = kUf-1oq)}; - пространства ситуаций
S = {s | (3f) (3r) (f e FHr e RHs = for)}.
5. Из множества всех возможных входных букв для каждого i e I выделяется локальный входной алфавит A
= {a | (3s)(s 3 e SHa = SoA{i})}; из определений следует, что множества этого вида при различных нижних индексах не пересекаются.
6. Локальное поведение каждого i e I полностью определяется функцией регулирования вида у: Aj^Xj (в теории коллективного поведения автоматов - функция локальных переходов). Если для каждого элемента системы в каждый момент времени для каждой входной буквы выполняется у (a) e X*, то совокупность принятых функций регулирования обеспечивает допустимые изменения состояний элементов (системоквантов) системы. Если в процессе возможного изменения этих функций выполняется условие ye {г:А^ Х.Лу(А)С X.*}, можно говорить, что реализуется стратегия гомеостатического управления [2].
Если в некоторый момент времени для некоторого i e I при некоторой входной букве оказалось у (a) e Х-Х*, то возникла ситуация, требующая корректировки (измене-
ния вида) функции локального перехода и, следовательно, глобального поведения системы.
Формирование решений по оптимизации проекта поточного строительства по критериям организационно-технологической надёжности строится в контексте изложенные математических оснований, использования информационной базы аналогий проектных решений и экспертных оценок. Подобный подход призван повысить объективность независимой оценки проекта поточного строительства по указанным критериям [2].
Концепция функциональный: систем гомеостатическо-го управления предполагает ситуационное моделирование процессов, определяющих динамику возмущения. Задача управления гиперсистемой может быгть сведена к построению целесообразных последовательностей глобальных возмущений и сопряжённых с ними глобальные управлений, но не каждое управление применимо в производственной ситуации, т.е. нельзя выбрать такую последовательность управлений, которую можно было бы использовать независимо от последовательности возмущений. Следовательно, надо искать не последовательность, а стратегию управлений, однозначно определяющую какое из управлений следует использовать в возникшей ситуации. Выбранная стратегия предполагает построение некоторого набора сценариев гомеостатического управления [2].
Сценарий гомеостатического управления - направленная последовательность действий (стратегия), реализующих функции гомеостатического управления, изменение действительных функциональный: и/или организационно-технологических характеристик объекта управления (СП) как реакция на такие действия. Сценарии го-меостатического управления строительством объекта формируются на стадии гомеостатического проектирования поточного строительства.
Практическая реализация функций управления строительством зданий и сооружений проводится средствами и методами на основе функциональных систем го-меостатического управления строительством объекта, представляющих комплекс взаимосвязанный: информационных, аналитических, технических, организационно-технологических и иных решений, реализующий функции гомеостатического управления строительством объектов (комплексов) и их элементов. Функциональные системы гомеостатического управления поточным строительством объекта проектируется на основе системной интеграции стандартный: и оригинальных решений. Основой такой интеграции являются среды САПР, комплекс вспомогательного прикладного программного обеспечения на основе САПР, системы электронного документирования, автоматизированные системы управления строительством и технологическими процессами и другие современные информационные и телекоммуникационные технологии.
Уникальными компонентами функциональный: систем гомеостатического управления являются блоки моделирования ситуаций и анализа ППС, ситуационного моделирования, формирования стратегий и сценариев
гомеостатического управления, а также решения, реализующие концепцию гомеостатического мониторинга СП на возведение объектов (комплексов) и их элементов - перманентного аналитического контроля соответствия наблюдаемый: функциональный: и/или организационно-технологических характеристик ППС объекта и/или его элементов (системоквантов) установленным значениям и процессов изменения действительный: характеристик, осуществляемого в режиме реального времени.
На основе предложенной концепции формируется структура и состав комплексной системы мониторинга, проектирование которой осуществляется на стадии го-меостатического проектирования поточного строительства зданий и сооружений, что позволяет учесть особенности строительного производства на возведении конкретного объекта. Основная задача комплексной системы мониторинга поточного строительства объекта -поддержка процессов информационной афферентации (перманентного потока тематической информации, поступающего от элементов объекта управления к элементам системы управления) и элементов систем, реализующих обработку обратный: связей, т.е. обратной информационной афферентации (информационные: потоков, отражающих реакцию объекта управления на элементы действий системы управления и динамику возмущения, инициированную этими действиями).
Понятие «прямой» и «обратной информационной афферентации» определяется в соответствии с понятиями «прямой» и «обратной афферентации», предложенными академиком П.К.Анохиныш в рамках теории функциональных систем.
Методология гомеостатического мониторинга поточного строительства зданий (сооружений) и их элементов предполагает динамический контроль структур и состава информационных компонентов функциональных систем гомеостатического управления в части объективной оценки основных параметров информационные потоков.
Открытая многокомпонентная расширяемая распределительная модель функциональной системы гомеос-татического управления поточным строительством объекта, включающая структурные блоки процессов гомеостатического проектирования, управления (внедрения ППС) и комплексной системы мониторинга, представлена на рис. 1.
Акцентируем внимание на информационных основах функциональные систем гомеостатического управления строительством зданий и сооружений.
Анализ структур данных и информационных потоков как основы представленной модели рис. 1 позволил предложить концепцию функциональных систем гомеостатического управления на основе открыпых информационных систем. Направления проектирования информационных компонентов функциональных систем гомеостатического управления поточным строительством зданий и сооружений классифицируются следующим образом (рис. 2)[2].
Рис. 1. Структурная модель функциональной системы гомеостатического управления поточным строительством объекта
Специфика проектирования распределённых открытых информационных систем предполагает широкое использование технологий объектно-ориентированного подхода и интероперабельности при создании всего спектра информационного обеспечения функциональных систем гомеостатического управления.
Проектирование информационных компонент создаваемых систем предполагает парадигму интероперабельности, в основе которой лежит объектная модель. Под «объектом» понимается отдельная часть программного кода, реализующая определённый набор сервисов. Доступ к сервисам объекта ограничен методами, построенными на основе одного из основных принципов объектной технологии - инкапсуляции, т.е. декларирования исключительно интерфейса метода [2].
Специфика функциональных систем гомеостатичес-кого управления строительством зданий и сооружений предполагает построение схем интерактивной аналитической обработки данных, основой которой является использование технологий, поддерживающих организацию многомерного анализа данных. Проблемы создания информационных компонент проектируемых систем, связанные с практикой реализации принципов информационной афферентации, лежит в плоскости оперативной обработки транзакций в режиме реального времени. Целесообразно проводить комплексное решение таких задач на основе технологий, поддерживающих значительное количество коротких параллельных транзакций в режиме реального времени, что является опре-
деляющим фактором в контексте специфики информационной афферентации в функциональных системах гомеостатического управления [2].
Распределённый характер представленной модели (см. рис. 1) определяет необходимость интеграции информационных компонент функциональных систем го-меостатического управления в структуры глобального коммуникационного пространства на основе следую-щдх основных принципов:
1. Принцип открытой модели (проектирование открытых структур информационных компонент в глобальном коммуникационном пространстве).
2. Принцип функционального совмещения (применение процессов и результатов создания и использования информационных структур для решения третьих задач строительного производства).
3. Принцип информационной избыточности (параллельное проектирование и представление нескольких копий основных информационных структур).
4. Принцип независимой активации (возможность независимого использования любой копии основных информационных структур) [2].
Методологией подобного подхода является магистральное направление развития Web - технологий, связанное с расширяемыми языками разметки. Особенностью, определяющей удобство построения форматов и протоколов документирования и публикации тематической информации на основе таких языков, является их способность служить языком - носителем для транспор-
Информационные компоненты функциональных систем гомеостатического управления
Системы обработки транзакций
Оперативная обработка транзакций
Пакетная обработка транзакций
Система поддержки принятия решения
Информационно-аналитические системы
Аналитическая обработка данных
Экспертные системы
Базы данных
Средства моделирования
Рис. 2. Направления проектирования информационных компонент функциональных систем
та данных, которыми обмениваются элементы систем с системами иного назначения, либо их компоненты в глобальном коммуникационном пространстве, например - Internet [2].
Практическое программирование элементов функциональных систем гомеостатического управления строительным производством предполагает создание комплексов прикладного программного обеспечения на основе той или иной аппаратно-программной платформы. Распределённая структура модели функциональной системы гомеостатического управления строительным производством (рис. 1) предусматривает расширенную сетевую интеграцию предлагаемых решений на всех уровнях. Аналитический обзор программного обеспе-
чения, составляющего информационное окружение процессов строительного производства, позволяет предлагать новые решения на основе существующих схем организации информационные: потоков.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Яковлев В.Ф. Основы моделирования информационных потоков системного проектирования. Системотехника. / Под редакцией А.А.Гусакова. М.: Фонд «Новое тысячелетие», 2002.- 768с.
2. Волков А.А. Гомеостат зданий и сооружений: Кибернетика объектов и процессов //Информационные модели функциональных систем /Под ред. К.В.Судакова, А.А.Гусакова-М.: Фонд «Новое тысячелетие»,- 2004.- с.133-160.
