автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Компьютерное моделирование развития и результатов кризисных ситуаций в САПР объектов строительства

/ог^

V

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ И РЕЗУЛЬТАТОВ КРИЗИСНЫХ СИТУАЦИЙ В САПР ОБЪЕКТОВ СТРОИТЕЛЬСТВА

Специальность 05.13.12. "Системы автоматизации проектирования"

(строительство)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ВОЛКОВ Андрей Анатольевич ,

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор

КУСОВ И.Ф.

МОСКВА, 1999

СТРУКТУРА РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

КРИЗИСНЫХ СИТУАЦИЙ В ОБЪЕКТАХ СТРОИТЕЛЬСТВА (ОС). .16

1.1. Классификация кризисных ситуаций в ОС................................................................16

1.2. Состояние компьютерного моделирования кризисных ситуаций и проблемы использования компьютерных систем поддержки принятия решений (СППР) в условиях развития кризисных ситуаций в ОС.....................25

1.3. Обзор программных продуктов и средств моделирования-.:..;...............................36

1.4. Выводы по главе 1........................................................................ ..................................47

ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ КРИЗИСНЫХ СИТУАЦИЙ В ОС В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ (САПР)..........................................................................50

2.1. Моделирование развития кризисных ситуаций в ОС в САПР..............................50

2.2. Анализ необходимости изменения элементов проекта..........................................55

2.3. Информационное обеспечение САПР-СППР............................................................61

2.4. Моделирование компьютерных СППР в условиях развития кризисных ситуаций на стадии проектирования ОС в САПР и их интеграция.....................66

2.5. Принятие решений и оперативное влияние на динамику кризисной ситуации................................................................................................................................72

2.6. Выводы по главе 2.............................................................................................................77

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНЫХ СППР В УСЛОВИЯХ РАЗВИТИЯ КРИЗИСНЫХ СИТУАЦИЙ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОС В САПР..................................................................80

3.1. Особенности компьютерного моделирования развития кризисных ситуаций в ОС......................................................................................................................80

3.2. Контроль актуальности информационного обеспечения САПР-СППР и диагностика конструктивных элементов.....................................................................84

3.3. Информационная совместимость со средами САПР...............................................88

3.4. Новые коммуникационные технологии как вспомогательное средство информационного обеспечения САПР-СППР...........................................................96

3.5. Специфика практического программирования СППР в условиях развития кризисных ситуаций в ОС................................................................................................104

3.6. Выводы по главе 3.............................................................................................................111

ГЛАВА 4. ЭЛЕМЕНТЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ КОМПЬЮТЕРНЫХ

СППР В УСЛОВИЯХ РАЗВИТИЯ КРИЗИСНЫХ СИТУАЦИЙ В ОС. 115

4.1. Программная совместимость САПР-СППР на уровне операционных

систем....................................................................................................................................115

4.2. Выбор средств для программирования компьютерных СППР в условиях развития кризисных ситуаций в ОС.............................................................................121

4.3. Internet-информационный комплекс ASSISTEN INTERNET................................124

4.4. Выводы но главе 4.............................................................................................................139

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ...................................................................142

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................................................147

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................................................163

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее распространенной формой практического приложения общей теории принятия решений в строительстве являются компьютерные информационные технологии анализа и формирования различного рода, в том числе - оперативной, информации о процессах и результатах строительного производства, организационно оформляемые, в большинстве случаев, в виде систем поддержки принятия решений (СППР). Используя компьютерное и инфографическое моделирование, СППР применяются на различных стадиях управления строительством, контроля за технологическими процессами строительного производства и в системах автоматизированного проектирования (САПР) объектов строительства (ОС) для поддержки проектных и управленческих решений (рис. В.1.). Еще одной областью практического применения компьютерных СППР, разработка которой в нашей стране началась сравнительно недавно, является ликвидация последствий кризисных ситуаций (стихийных бедствий, аварий и т.д.) на различных промышленных, стратегических, жилых и иных объектах (рис. В.1.). Индустриализация современного общества, усложнение технологических процессов производства неизбежно ведут к появлению негативных явлений, связанных с возникновением кризисных ситуаций. Под "кризисной ситуацией" в ОС в рамках настоящей работы понимается вызванное любыми причинами, внезапное кратковременное или продолжительное изменение условий внешней среды, в которую помещен строительный объект, в силу которых некоторые конструктивные элементы объекта претерпевают нагрузки, настолько превышающие расчетные, что возникает опасность его полного или частичного разрушения, а так же опасность для жизни и здоровья людей, вызванная, кроме перечисленных причин, изменением микроклимата объекта. Подобная трактовка

Инвестор

_ :1 Потребность•

Идея

1

-

Система

оддержки принятия

проектных решений ____„_

Техническое задание

кхи принятия решений об эффективности реализации : предложений

1

Комплекс САПР

Пакет проектной док уьсе нт а ции

Ц поддержки принятия | области технологии гё11ьно.го производства

Си с те ы&^/'Н задержки принятия решений по обеспечению экологичное^II утилизации

технологических циклоь

Окончание эксплуатации

Система поддержки принятия ликэидац:;и последствий кризисных ситуаций

Рис В. 1. Использование компьютерных СГ111Р для поддержки проектных и управленческих решений в области строительного производства.

понятия "кризисная ситуация" охватывает не только классические задачи разрушения зданий и сооружений, но и классы сопутствующих задач, например, аварийные выбросы химических или радиоактивных веществ, взрывы газо-паровоздушных смесей и т.д. "Стихийное бедствие" - понятие во многом сходное с предложенной трактовкой понятия "кризисная ситуация", отражает в большей степени предмет кризисной ситуации природного характера, в отличие от термина "авария", больше применимого к кризисным ситуациям техногенного характера и, относящегося в широком смысле к их конкретным следствиям.

Действительно, к сожалению, какими совершенными ни были бы технологии проектирования и возведения зданий и сооружений, любое из них, даже изначально ориентированное на экстремальные нагрузки, не застраховано от внешних возмущений, которые могут вызвать его частичное или полное разрушение. Причин подобных возмущений множество: от пренебрежения техникой безопасности, сбоев в технологическом цикле и износе оборудования, до геологических и гидрометеорологических кризисных ситуаций природного характера (классификация кризисных ситуаций, приводящих к возможному полному или частичному разрушению зданий или сооружений рассмотрена ниже). Предотвращение аварий и катастроф техногенного характера - важная инженерная задача, более или менее успешно решаемая традиционными методами [1,2,3,4,10,13,15,19,38,39,41,42,53,59,60-62,66,68,70,88,93,95,102,108-112,124,139,165]. Собственно говоря, успех решения подобного рода задач зависит в первою очередь от конструктивных особенностей самого объекта и конкретных условий его эксплуатации, тесно связанных с размещенным на нем технологическим циклом.

Существующая теория надежности в строительном проектировании, достаточно полно описанная в [109], предъявляет к создаваемым зданиям и сооружениям ряд

требований, исходя из вероятностного моделирования климатических и технологических нагрузок, методов вычисления надежности и вероятности отказа стержневых систем и т.п., определяющих возможность безотказной эксплуатации здания или сооружения в течение некоторого расчетного периода.

Важной инженерной задачей является, кроме прочего, умение оценить результат возможных внешних воздействий на конкретный объект и принять меры по предотвращению опасных последствий. Следует отметить, что размещение технологических циклов и инженерного оборудования, особенно - на химических, взрывоопасных и атомных объектах, предъявляет повышенные требования к конструктивным решениям зданий и сооружений, а также к качеству применяемых строительных материалов и технологий, что непременно должно отражаться уже на этапе проектирования здания или сооружения в САПР.

В силу ряда специфических особенностей гораздо менее формализованными остаются методы прогнозирования и предотвращения катастроф природного и экологического характера, что не мешает, однако, успешному решению ряда конкретных, узко специализированных задач в этой области [1,2,3,4,].

Несмотря на активную работу в рамках указанных направлений [1,2,3,4,45,46,52,53,61-63,105,114-117,122,123,158-163], недостаточно внимания уделяется проблемам компьютерного моделирования развития кризисных ситуаций в ОС. К сожалению, приходиться отмечать малое число публикаций на эту тему.

Действительно, моделирование развития кризисных ситуаций в ОС -специфическая и не простая задача. Разрушение зданий и сооружений в силу некоторого внешнего возмущения или их совокупности может быть математически описано и, как следствие, смоделировано, с достаточной степенью точности в случае, когда:

-91. существует достаточно полная информация о характере внешнего возмущения,

областях его приложения и интенсивности, и, 2. существует достаточно полная информация о конструктивных решениях и

особенностях самого объекта, на который оказывается внешнее возмущение. Очевидно, что полнота информации в обоих случаях определяет адекватность построенной математической модели.

Оба поставленные условия практически очень сложно реализуемы в условиях реально сложившейся кризисной ситуации. Кроме того, сам процесс моделирования занимает значительное время и требует огромных вычислительных ресурсов, так как, в силу своей особенности, часто содержит отношения, описываемые большим числом дифференциальных уравнений.

Наукоемкость и большие капитальные затраты на создание компьютерных СППР для работы в условиях кризисных ситуаций, нехватка квалифицированных кадров для создания СППР, а равно и их эффективного использования, образует некий "психологический барьер" [53] для массового продвижения подобных систем в практику автоматизированного проектирования и управления в строительном производстве, а также теоретических работ в этом направлении. Использование компьютерных систем поддержки принятия решений в условиях развития реальной кризисной ситуации представляется, на первый взгляд, весьма проблематичным именно с психологической точки зрения. Действительно, большинство реальных катастроф происходит в течении нескольких десятков секунд, не оставляя человеку времени не только на компьютерный анализ, но даже на собственную адекватную реакцию на происходящее. Мгновенные действия как отдельных людей, так и спасательных подразделений являются скорее интуитивными, основанными на некотором опыте и хладнокровии лишь в последнем случае. Использование специальной техники и

приспособлений ведется лишь там, где это очевидно необходимо в настоящий момент и, как правило с запаздыванием на время реакции местных центров Гражданской обороны и Министерства по Чрезвычайным Ситуациям (МЧС). Как показывает практика, время реакции на кризисную ситуацию составляет в среднем около 20-25 минут, что определяет, в большинстве случаев, дальнейшую работу не как предотвращение развития кризисной ситуации, а как ликвидацию ее последствий.

В силу изложенных причин мгновенное моделирование развития кризисных ситуаций в ОС не получило достаточного распространения.

В рамках настоящей диссертационной работы предлагается теоретический подход к решению проблем компьютерного моделирования развития и результатов кризисных ситуаций в ОС, позволяющий, в некоторых случаях, значительно облегчить отдельные, особенно трудоемкие, этапы процесса моделирования и проектировать элементы реальных компьютерных СППР для работы в условиях развития кризисных ситуаций в ОС.

Как уже было отмечено выше, многие реальные катастрофы происходят практически мгновенно, не оставляя человеку времени на компьютерный анализ. Однако, к сожалению, нередки случаи кризисных ситуаций, в основном техногенного характера, развитие которых исчисляется уже десятками минут, а иногда и часов, что определяется особенностями размещенного на объекте технологического цикла или инженерного оборудования. Речь может идти как о промышленных и стратегических (особенно), так и о жилых ОС. В случае подобной кризисной ситуации, когда у спасательных подразделений появляется некоторый, пусть даже очень небольшой, резерв времени, особенно важным становится внешняя реакция на развитие кризисной ситуации, ее адекватность, быстрота и объекты приложения. К сожалению, и в этом случае компьютерные СППР начинают работать с запаздыванием, лишь на стадии

ликвидации последствий кризисной ситуации. Кроме вышеперечисленных, это определяется следующими причинами:

• отсутствие конкретной информации о конструктивных особенностях объекта;

• сложность получения адекватной информации о характере, степени и областях его разрушения.

Если получение информации о мгновенном разрушении здания - задача, решение которой определяется, в основном, профессионализмом спасательных подразделений и в некоторых (к сожалению - весьма редких, как правило, лишь на стратегических объектах) случаях - наличием встроенной диагностической аппаратуры конструктивных элементов и технологического цикла, то отсутствие информации о конструктивных особенностях объекта - вполне восполнимый пробел. Невозможным, естественно, является немедленный поиск необходимой проектной документации (которая может находится за сотни километров от места расположения объекта) и ввод необходимых данных в компьютер. Подобная квалифицированная работа занимает не то, что минуты - сутки драгоценного времени, которого к сожалению очень мало.

В рамках настоящей диссертационной работы предлагается построение компьютерных СППР в условиях развития кризисных ситуаций в ОС уже на стадии разработки проекта будущего здания или сооружения в средах САПР и в тесном их взаимодействии (рис. В.2.). Отличие от традиционных методов построения СППР состоит в возможности получения адекватных данных о всех конструкциях и элементах здания в их взаимосвязи из "первых рук", т.е. заполнить информационную базу СППР необходимой, впоследствии частично утрачиваемой или труднодоступной, а, как следствие, - уникальной в момент кризисной ситуации, информацией.

Подобный подход позволяет анализировать возможное развитие кризисной ситуации для любого элемента конкретного, а не некоторого абстрактного, здания или

:.■.:■ ^

Инвестор

i

¡йсЩема поддержки принятия fc ■] прожккк решений

___L,.

I Г ■■■.....

?■■••• -т .Д

- А"

Идея

Ii Ti'

гк.ч-жеское Шадакие

—.......—i----... ■

'■tjgi s ■ ■ Й-Щ> _ _ у "'

--- - ■ .........

Комплекс . ■__

САПР * "

■ gtjg |4|

Формировс

Базы за кий

СППР

. . ■ ■ поддержки принятия " решений оф Эффективности реализации ^щРдЬект'цых предложений

Пакё$.'- Ж проектной документации

т: " ' '^РТгЯ

ШрШ "' ■' Кцд'ержки принятия

■ ■: " «области технологии

а-ного производства

..... t

~ шш ■

гщйд -:. *k:i "принятия нйй р области размещения -4—► циклов

Размещение

техлолог^ч^пко J'C ойорудоазнчк

1

Ш 1 ,__ »¿ИГ-

■кгеТГ^ s Щ

".' ■ Т

ржки принятия :озиях развития

: ..г .-Ша поддержки ,-лрин яти я решений по оптимальной '''эксплузтагдй»- ойъекта

Токовый объект

к s я

13 iB

Т*!

-> КРИЗИСНАЯ

Ликвидация последствий кризисной ситуации

';' .1 ;.:.•:■;:принятия jjj:; ]||щ||рж* по обеспечению ■.ЩЬ'йря0-гйчности ууиЛизацки технологич е. и кл о в

Окончание эксплуатации

;

Анализ

Система поддерж:

РР' "\ криз^йЖ^^туаций

.ки принятия л;;1КЕ:Идш:4:Ш'1 последствий

Рис. В.2. Интеграция компьютерных С! ШР в условиях развития кризисных ситуаций в ОС в САПР.

их совокупности (т.е. самого здания) на любой промежуточной стадии разрушения, что позволяет без доработки и адаптации принимать адекватные проектные и управленческие решения.

Кроме того, появляется возможность выявлять на стадии проектирования объекта в САПР те его конструктивные элементы и решения, которые могут оказать негативное влияние на ликвидацию возможной кризисной ситуации путем моделирования ее развития для конкретного ОС.