автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизированное проектированиетерриториальных схем развития технологической базы строительства

КИМ

Аркадий Николаевич

На

2 2 Ы Ш

Автоматизированное проектирование

территориальных схем развития технологической базы строительства

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2000

/

Работа выполнена на кафедре САПР Московского государственного строительного

университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Гусаков А.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук Григорьев Э.П.

кандидат технических наук Кононенко A.A.

Ведущая организация Центральный научно-исследовательский и проектно-

экспериментальный институт организации, механизации и технической помощи строительству (АОЗТ ЦНИИОМТП)

Защита состоится « 2У» /о 2000 года в /О часов на заседании диссертационного Совета Д 053.11.11 в Московском государственном строительном университете (МГСУ по адресу: Москва, Шлюзовая наб. д.8, ауд. ■5^0

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан 2о сентября 2000 года

Учёный секретарь диссертационного совета Чулков В.О.

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Строительство, является составной частью экономики страны, базовой отраслью, обеспечивающей развитие и освоение инвестиций. Оно имеет тесные взаимосвязи со всеми секторами и отраслями экономики, социальной сферы, выступая поставщиком своей конечной продукции.

В последние годы рынок строительной продукции повышает требования к потребительским качествам возводимых объектов. Это ведёт к использованию технологий, обеспечивающих возведение более долговечных, эргономичных, экономичных зданий. Вследствие этого рынок строительных услуг и материалов характеризуется повышенным спросом на качественные, экологические, технологичные, лёгкие материалы, конструкции и изделия, обеспечивающие необходимые потребительские качества строительной продукции. Одновременно значительно изменились задачи современного градостроительства, главный акцент которого - переустройство, рационализация и интенсификация использования уже застроенной территории. Это ведёт к использованию более прогрессивных технологий строительного производства, требующих современного оборудования, иных материалов, прогрессивных методов организации производственного процесса.

В условиях современного инвестиционного кризиса важным положительным фактором для потенциальных инвесторов является возможность уменьшения капиталоёмкости строительства. Системное рассмотрение проблемы уменьшения стоимости строительства подразумевает концентрацию и взаимодействие усилий всех уровней управления строительным производством, в том числе на региональном уровне управления строительной отраслью.

Таким образом, существует объективная необходимость в проектной документации, отражающей развитие и изменение строительной отрасли в регионе, её технологической (производственной) базы, согласованной с целями и планами градостроительства, запросами рынка строительной продукции и экологическими тре-эованиями.

Принятие решений, отражающих динамику структуры инвестиционно-:троительного комплекса, с учётом объективных тенденций развития строительной отрасли, требует системотехнического подхода и многовариантного рассмотрения

проектных решений, которые могут достигаться автоматизацией процессов проектирования 1! принятия проектных решений в среде САПР.

Цель исследования: разработка метода автоматизированного проектирования территориальных схем развития технологической базы строительства.

Объектом исследования настоящей работы выбран региональный инвестиционно-строительный комплекс как сложная система, включающая технологическую базу строительства в регионе.

Предметом исследования являются модели и методы проектирования территориальных схем развития технологической базы строительного производства в регионе.

Научная гипотеза исследования состоит в том, что состав технологической базы строительства в регионе зависит от номенклатуры технологий строительного производства, которые с наибольшей вероятностью в условиях рыночной экономики будут использоваться в проектных решениях конструктивных элементов зданий на данной территории и тем самым будут определять номенклатуру потребляемых строительных материалов, конструкций и изделий. Задачи исследования:

• анализ объективных тенденций в преобразовании региональных инвестиционно-строительных комплексов;

• разработка структуры базы данных экспертной информации;

• разработка лексического интерфейса для ввода экспертной информации;

• разработка методики отбора технологий строительного производства, наиболее вероятных для использования в данной местности на основе использования статистического анализа;

• адаптация балансовой методики построения условно-замкнутых зон поставщиков и потребителей строительных материалов на основе кластерного анализа;

• разработка информационных технологий визуализации и оценки проектных решений;

• разработка общей структуры САПР технологической базы РИСК.

Методологическая база исследования: системотехника строительства, разделы математической кибернетики: теория статистических решений, распознавание образов с использованием кластерного анализа, картографическая инфография.

На защиту выносятся:

1. Научная гипотеза развития технологической базы регионального строительства;

2. Метод автоматизированного проектирования территориальных схем развития технологической базы РИСК,

3. Общая структура САПР ТБ РИСК.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на секции «Строительство» Российской инженерной академии, в организациях Минмособлстроя, Государственного проектно-производственного строительного объединения (г. Брест), на Международной научно-практической конференции 5 июля ¿000 года (г. Брест).

Внедрение результатов работы. Результаты исследования и предложенный метод проектирования технологической базы строительства, использован при разработке отдельных разделов региональной целевой программы «Развитие и модернизация базы стройиндустрии Московской области», при построении концепции реорганизации структуры управления строительным комплексом Брестской области Республики Беларусь.

Публикации. По материалам исследования опубликовано 7 работ.

Структура диссертации включает введение, четыре главы, основные выводы, список литературы (75 источников).

Автор выражает благодарность научному консультанту доктору технических наук Ю.Н. Павлючуку.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность совершенствования территориальных схем развития инвестиционно-строительных комплексов, определена цель и задачи исследования.

В первой главе проведён анализ современных потребностей и тенденций в строительной отрасли, который показал, что для снижения капиталоёмкости строительства необходим взаимосогласованный ряд мер по совершенствованию проек

рис. 1. Методологическая схема исследования

тирования и управления региональным инвестиционно-строительным комплексом (РИСК). Переходный период современного экономического уклада требует новых подходов к территориальному строительству, постановки и решения отраслевых, стратегических задач на основе системотехнического анализа и синтеза проектной документации в среде САПР. Автоматизация проектирования территориальных схем развития технологической базы строительства позволяет согласовать их с градостроительными планами и проектами.

Во второй главе изложены методологические основы проектирования территориальных схем развития технологической базы (ТБ) РИСК. Подчеркнута необходимость системотехнического подхода к решению проектных задач в составе САПР. С позиций основных принципов системотехники строительства рассмотрены основные проблемы проектирования технологической базы РИСК.

Разработана методологическая схема исследования, включающая в свой состав ряд блоков (рис.1.).

Сформулирована научная гипотеза исследования, суть которой заключается в том, что состав технологической базы регионального строительного комплекса определяется номенклатурой технологий строительного производства (ТСП), которые с наибольшей вероятностью в условиях рыночной экономики будут использоваться в проектных решениях конструктивных элементов зданий на данной территории. Технологии же строительного производства определяют номенклатуру потребляемых строительных материалов, конструкций и изделий. Территориальная структура технологической базы РИСК определяется размещением на территории региона поставщиков и потребителей строительных материалов, конструкций и изделий, обеспечивающим баланс их производства и потребления.

Таким образом, общая логика проектирования территориальных схем технологической базы РИСК включает в себя основные этапы:

• отбор технологий строительного производства, наиболее вероятных для применения потенциальными производителями СМР,

• определение номенклатуры строительных материалов, конструкций и изделий, использующихся в данных технологиях,

• определение потребителей строительной продукции с помощью декомпозиции территории на элементы (градостроительные зоны, кварталы) -«площади строительных работ»,

• картографирование и паспортизация существующих и потенциальных источников строительных материалов, конструкций и изделий (промышленные материалы, месторождения строительных материалов)

• построение замкнутых зон поставщиков-потребителей для выявления наиболее рациональных пространственных структур размещения производителей относительно потребителей.

• картографическая визуализация полученных зон, сравнение их с градостроительной документацией и принятие проектного решения.

В третьей главе разработан метод проектирования территориальных схем развития ТБ строительства в средс САПР, для чего предложены общая последова-. телыюсть и состав задач проектирования ТБ РИСК, среди которых наибольший научный и практический интерес представляет решение двух задач: отбора наиболее вероятных для использования в данном регионе ТСП и построение условно-замкнутых зон.

. Для решения первой задачи на основе информации о наличии местных строительных материалов, определяется номенклатура ТСП, из которой осуществляется отбор наиболее вероятных ТСП для использования. Процесс отбора наиболее вероятных ТСП построен как поиск оптимального статистического решения, с построением ранжированного ряда альтернатив ТСП с использованием метода Байеса.

В общем случае эффективность использования ТСП а-, для фактора Xд в интервале (,хк тш>хк тах) относительно частного критерия изменяется по определённому правилу рп(Хь). При наивысшей эффективности ТСП Я,- по признаку ЛТд, относительно частного критерия^ в точке максимума ДГэ, зависимостьр„(Хь) имеет экстремум. В связи с этим, можно предположить, что вид р„(Хк) определяет плотность вероятности выбора альтернативы рп(хд | Экстремумы зависимости р„(х¡) соответствуют точкам, в которых альтернатива й; имеет наибольшие

Р,/хк су

Плотность вероятности выбора альтернативы ТСП по фактору хд относительно частного критерия у„

Функция потерь по фактору хд- и частному критерию у„ в случае выбора альтернативы а.

Хк1 Хю

Условные обозначения: дгд - фактор т -го декомпонента территории; р„(хь\а^ - плотность вероятности выбора альтернативы a¡ по фактору Хк относительно частного критерия у„; - допустимая погрешность распределения лги -точка наивысшей эффективности ТСП по фактору

относительно частного критерия у„ экстремум плотности вероятности;

1-п(Р>/хк),(!,) - функция возможных потерь альтернативы ТСП а, по фактору х^,

(Хк1 ,л"/,2) - доверительный интервал, в пределах которого значение плотности вероятности меньше максимального значения на величину допустимой погрешности

Рис. 2. Плотность вероятности выбора альтернативы а, по признаку Хк относительно частного критерия >'„ . Геометрическая интерпретация функции потерь

шансы быть выбранной. Следовательно, функция плотности вероятности в окрестностях экстремальных точек близка к единице (рис.2).

I Рп(Хк | Ui)\ " С ~ 1

Подмножество ТСП, при которых функция Байеса будет иметь минимальное значение А ={ö/} определяется в результате итерационной процедуры ранжирования по величине значения.

ЦХ, «,)= min Y[bn X Д1-рй(л:А,а;))];

/1 Д.-«

Отбор альтернатив й/ из общего множества Я,- проводится согласно правилу:

{«,} = {at е {</,}| 3 а, е А: L(X, а,) < | Lmax |}.

Для решения второй задачи (построения замкнутых зон поставщиков и потребителей строительных материалов, конструкций и изделий) адаптирован метод декомпозиции системы регионального строительства на условно-замкнутые зоны, предложенный Ю.Н. Павлючуком. Критерием оптимальности решения этой задачи является коэффициент замкнутости:

XIX (S z )*

5(С)= IISZ, ■

S,eSZ,eZ

где: ^ ^ (SZ)ij " потРебность множества объектов - потребителей S„ 1 п - ои системы декомпонепта С„—(Д„, Zn), удовлетво-

ряемая объектами

поставщиками входящими в систему С„;

^ ^ -суммарная потребность региона в продукции объектов

s,eSZjeZ -поставщиков.

Для выделения из схемы оптимального закрепления потребителей за поставщиками используется мера близости и методы теории графов. Матрица расстояний между объектами потребителями представляется в виде связного графа, Вершинами являются объекты-потребители, а ребра выражают расстояния между

Рис.3. Блок - схема алгоритма выделения условно-замкнутых зон

ними. Последовательно удаляя из графа самые длинные рёбра, происходит разделенно на подграфы. Потребители при этом, обслуживаемые разными поставщиками распределяются по разным условно-замкнутым зонам. Блок схема алгоритма выделения условно-замкнутых зон приведена на рис. 3. В результате решения поставленной задачи для заранее заданных значений показателя замкнутости выявляются условно-замкнутые образования, в которых мощности предприятий поставщиков имеют возможность обеспечения своей продукцией потребителей, входящих в эти зоны.

Общая структура САПР территориальных схем развития технологической базы строительства показана на рис. 4. Основные функции, реализуемые САПР:

• формирование информационного фонда системы;

• отбор ТСП, использующих местные строительные материалы;

• построение ранжированного ряда альтернатив ТСП;

• получение полного списка строительных материалов, конструкций и изделий, для множества отобранных ТСП;

• построение замкнутых зон поставщиков и потребителей строительных материалов, конструкций и изделий;

• сопоставление полученных синтетических объектов с картиной декомпозиции территории на площади строительных работ и интерактивная коррекция решений, принятых на предыдущих этапах.

Важнейшими структурными подсистемами САПР ТБ РИСК являются информационный фонд системы, блок отбора альтернатив технологий строительного производства, блок моделирования замкнутых зон поставщиков-потребителей, блок визуализации проектных ситуаций и принятия решений.

Информационный фонд системы включает: базу данных экспертной информации; базу данных технологий строительного производства и территориальных строительных норм; базу данных поставщиков и потребителей строительных материалов, конструкций и изделий. Он предусматривает наличие в своём составе автоматизированных рабочих мест формирования информационных ресурсов САПР; средств взаимодействия с другими региональными базами фактографических и

АРМ аналитика 2

Частные критерии оценки ТС11

АРМы Формирования информационного ресурса

Топокарты рельефа, климата, грунтов, почв, гидрологии

Топопланы застройки

I [iil.UK | рои | ельнан документация на гопопланах

Инфраструктура | [Месторождении строительных

_матгппадпп

Топоплаиы землепользования

Предприятии строительной индустрии

Данные дистанционного зондирования

рис. 4 Общая структура САПР территориальных схем развития технологической базы строительства

картографических данных; классификаторов стандартных пользовательских оценок и их синонимов, связанных с функциями принадлежности допустимых лингвистических термов; классификаторов частных критериев оценки ТСП, связанных с экспертными значениями весовых коэффициентов компонентов функции потерь.

Блок отбора альтернатив технологий строительного производства объединяет в себе решение задач отбора ТСП, использующих местные строительные материалы и процедуры построения ранжированного ряда альтернатив ТСП.

В блоке моделирования замкнутых схем поставщиков и потребителей строительных материалов объединены функции определения полного списка строительных материалов для выбранных ТСП, а также построение самих условно-замкнутых зон. Блок визуализации проектных ситуаций и принятия решений объединяет в себе задачи оценки ЛПР полученных синтетических объектов и сравнение с картиной декомпозиции территории на площади строительных работ и интерактивной коррекции решений, принимаемых на предыдущих этапах. Закрепление функций САПР за автоматизированными рабочими местами показано в табл. 1.

В четвертой главе приведены результаты внедрения и его эффективность. Технико-экономическая эффективность результатов исследования выявлена и подтверждена при экспериментальном внедрении в строительных регионах Московской и Брестской области, где даны варианты декомпозиции региональной строительной системы, прогнозы развития материально-технической базы и др.

Практические работы по реализации компонентов САПР технологической базы строительства, как в Белоруссии, так и в Московской области, показали, что наиболее трудоёмкой частью работ является формирование информационного фонда системы. В результате обобщения опыта внедрения было установлено, что при отборе альтернатив технологий строительного производства, в некоторых случаях целесообразнее использовать иной вид функции плотности вероятности относительно частных критериев по отдельному фактору. При обеспечении вариабельности функций отбора альтернатив ТСП и их параметров необходимо обеспечить также гибкость лексического интерфейса, возможность работать с переменным

числом параметров распределений плотности вероятности для различных факторов. Необходимо также предусмотреть возможность применения ЛПР иных моделей отбора альтернатив ТСП: использование группового ранжирования по Парето, метода кусочно-линейной аппроксимации, обеспечить переключение с одних моделей на другие. Решение этих вопросов повысит функциональность САПР территориальных схем технологической базы строительства.

Таблица 1

Закрепление функций САПР за АРМ

Тип АРМ Решаемые задачи

АРМ формирования информационного ресурса Наполнение баз данных: экспертной информации. технологий строительного производства и территориальных строительных норм импорт данных из внешних источников, наполнение классификаторов лексического интерфейса

АРМ аналитика 1 Блок отбора альтернатив технологий строительного производства Определение множества ТСП, использующих местные строительные материалы.

Построение ранжированного ряда альтернатив ТСП. Отбор альтернатив

АРМ аналитика 2 Блок моделирования замкнутых зон поставщиков- потребителей строительных материалов Определение полного списка строительных материалов, использующихся в отобранных ТСП

Построение условно-замкнутых зон поставщиков-потребителей строительных материалов

АРМ ЛПР Клок визуализации проектных ситуаций и принятия решения Картографическая визуализация и оценка строительной отрасли в регионе, Принятие решений. Коррекция ранее принятых решений.

Общие выводы

1. Проведенный анализ выявил тенденции регионального строительства: изменение целей, задач и функций градостроительного развития и тгроектирова-ния, повышение требований к качеству окружающей среды обитания и к потребительским качествам строительной продукции; стремление субъектов рынков строительной продукции и строительных материалов к сокращению капиталоёмкости инвестиционных проектов и др. Установлено, что первоочередной задачей производствено-технической модернизации регионального инвестиционно-строительного комплекса (РИСК) является перестройка технологической базы (ТБ) в соответствии с выявленными тенденциями.

2. Выявлена специфика управления строительным производством в условиях рыночных отношений, при которой развитие ТБ РИСК относится к типу стратегических решений с повышенной сложностью, неструктурированностью проблемы, высокой долей интеллектуальных затрат и др. Установлено, что для решения задач регионального развития ТБ строительства необходим проектный подход на основе системотехнической формализации процессов проектирования территориальных схем развития ТБ строительства в условиях информационной среды САПР.

3. Сформулирована научная гипотеза, сущность которой заключается в том, что состав ТБ строительства в регионе стимулируется номенклатурой технологий строительного производства (ТСП), которые с наибольшей вероятностью в условиях рыночной экономики будут использоваться потенциальными производителями подрядных работ на данной территории. ТСП определяют номенклатуру потребляемых наименований строительных материалов, конструкций и изделий.

4. Разработаны методологические основы исследования и автоматизированного проектирования территориальных схем развития ТБ строительства на основе системотехники строительства, математической кибернетики, теории статистических решений, теории распознавания образов, кластерного анализа, картографической инфографии, теории нечётких множеств, использования лин-

гвистических переменных и лексического интерфейса. Разработана методологическая схема исследования.

5. Предложен метод проектирования территориальных схем развития ТБ строительства в условиях САПР, включающий в себя ряд подзадач (отбора наиболее вероятных для использования ТСП, построения условно-замкнутых зон и др.). Приводятся методики решения всех поставленных подзадач в информационной среде САПР.

6. Разработана общая структура САПР территориальных схем развития ТБ строительства, включающая блоки формирования информационного фонда, оценки и выбора альтернатив ТСП, моделирования и построения замкнутых зон поставщиков и потребителей строительных материалов, картографической визуализации и оценки проектной ситуации.

7. Проведена апробация и экспериментальное внедрение результатов исследования в регионах Московской и Брестской областей, что показало практическую актуальность и экономическую эффективность полученных результатов.

8. Выявлены дальнейшие направления совершенствования САПР территориальных схем развития ТБ строительства:

• обеспечение вариабельности функций отбора альтернатив ТСП и их параметров,

• организация интерфейсов взаимодействия с другими информационными ресурсами региона.

• совершенствование лексического интерфейса для формирования области предпочтений ЛПР.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ким А.Н. Системотехника территориального проектирования строительства// «Промышленное и гражданское строительство», №9.1999. - С. 53-54

2. Ким А.Н. Вопросы совместного использования методов сетевого планирования и кластерного анализа для идентификации важнейших научно-технических проблем в территориальном стронтельстве//Интернет: Новости и Обозрение. Инфография в системотехнике. Часть вторая.-! 999.-№2.-С. 19-22.

3. Ким Л.Н. Проблемы проектирования организационно-управленческих решений территориального строительства (методологический аспект) /Современные технологии и инвестиционные процессы в строительстве: Труды секции «Строительство» Российской Инженерной Академии. Выпуск 1 / М.: Издание секции «Строительство» РИА, 2000. - С. 47-55.

4. Ким А.Н. Проблемы проектирования организационно-управленческих решений территориального строительства// «Промышленное и гражданское строительство», № 3, 2000. - С. 35-36.

5. Ким А.Н. Проблемы автоматизированного проектирования территориального строительства /Сборник науч. и педагогии, тр./ Под ред. A.A. Русакова, В.Ф. Яковлева, A.A. Волкова. М.: МГСУ, 2000. - С. 76-79.

6. Ким А.Н. Проектирование территориального строительства в среде САПР /15 лет кафедре систем автоматизации проектирования в строительстве МГСУ: Сборник науч. тр.: Изд. 2-е перераб. и доп./ Под ред. A.A. Гусакова, В.Ф. Яковлева, Н.И. Преснякова, A.A. Волкова. М.: Фонд "Новое тысячелетие», 2000. - С. 130-135.

7. Павлючук Ю.Н., Ким А.Н. Некоторые аспекты моделирования территориальных схем управления строительством// «Вестник БГ1И - Экономика», №3, 2000. - С.59-61.