автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Модели знаний в САПР для внешних информационных систем в строительстве

На правах рукописи

ЧАМОВ Михаил Борисович

МОДЕЛИ ЗНАНИЙ В САПР ДЛЯ ВНЕШНИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Специальность:

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2005

Работа выполнена в Московском государственном строительном университете.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Григорьев Элъген Парфирьевич кандидат технических наук Куликова Екатерина Николаевна

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество "Моспроект ".

Защита состоится 04 июля 2005года в 15.00на заседании диссертационного совета Д212.138.01 при Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, МГСУ, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан 03 июня 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук Волков Андрей Анатольевич

ОБЩАЯХАРАКТЕРИСТИКАРАБОТЫ

Актуальность исследования. Современное состояние научно-технического прогресса в области проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений подразумевает решение широкого круга задач, ориентированных на создание строительных объектов, отвечающих актуальным требованиям безопасности, ресурсосбережения, экологии, эргономики, комфорта и проч. Анализ теории и практики постановки подобных задач позволяет сделать обоснованный вывод о том, что эффективность их решения определяется, в первую очередь, тем, насколько оригинальные инженерно-технические системы соответствуют общей концепции "интеллектуального здания", активно развивающейся в последнее время, как в нашей стране, так и за рубежом. Речь идет о создании т.н. функциональных систем управления зданиями и сооружениями (А.А. Волков), фундаментальными основами которых является теория функциональных систем (П.К. Анохин) и системотехника строительства (А.А. Гусаков). В этой связи, функции автоматизированного проектирования зданий и сооружений существенно расширяются, т.к. именно на этой стадии проект адаптируется к использованию тех или иных инженерно-технических решений. Другими словами, САПР, наряду с решением задач выполнения чертежей, инженерно-технических расчетов, моделирования и подготовки сопроводительной документации, становится едва ли не единственным источником знаний для внешних (по отношению к САПР) информационных систем, решающих перечисленные выше задачи. Основной особенностью подобных задач следует считать высокую зависимость эффективности отдельных результатов, как от полноты необходимых исходных данных, так и от адекватности выбора предметно-ориентированных средств моделирования. Еще одной особенностью всех внешних информационно-аналитических и инженерно-технических систем является совпадающая с. периодом использования САПР стадия их проектирования. В" общей концепции функциональных систем управления зданиями и сооружениями эта стадия носит название "гомеостатическое проектирование "(А.А. Волков).

Таким образом, в целях исключения необоснованно разобщенного параллельного проектирования информационных платформ различных функциональных подсистем в общей концепции "интеллектуального здания", а также неизбежно возникающих при этом проблем качественного соответствия реальных характеристик (репрезентативность, содержательность, достаточность, доступность, актуальность, своевременность, точность, достоверность и устойчивость и проч.) тематической информации требуемым, в диссертации рассматривается подход к формированию моделей знаний, оперируемых архитектурно-строительными САПР, ориентированный на возможность их использования внешними информационными системами на стадии автоматизированного проектирования зданий и сооружений в качестве исходных и изменяемых данных для предметно-ориентированного математического и имитационного моделирования, поддержки тех или иных функций автоматического управления "и проч. в рамках создаваемых оригинальных функциональных подсистем.

Анализ научных работ в обозначенной области, наряду с достаточным вниманием общим вопросам организации информационного обеспечения САПР (В.Ф. Яковлев, В.О. Чулков, Г.Г. Малыха, А.С. Павлов, Д.В. Пихтерев, М.С. Вайнштейн, Н.В. Шалимова, А.В. Медведев, Ю.Н. Перевалова и др.), позволяет констатировать отсутствие апробированных решений, прямо ориентированных на анализ информационного обеспечения САПР с рассмотренной точки зрения, что позиционирует диссертацию как актуальное научное исследование, соответствующее п.п. 6 и 7 Паспорта специальности "05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (строительство)".

Научно-техническая гипотеза предполагает возможность существенного повышения эффективности проектирования и функционирования оригинальных инженерных функциональных систем управления современными зданиями и сооружениями на основе совершенствования методов и моделей подготовки и использования знаний САПР для внешних информационных систем.

Цель работы: разработка модели знаний САПР, оптимизированной для использования внешними информационными системами в качестве исходных данных.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие основные задачи:

• анализ теории и практики организации информационного обеспечения САПР и предметно-ориентированных приложений (комплексов) на основе САПР;

• анализ и классификация внешних информационных систем (функциональных подсистем), использующих знания архитектурно-строительных САПР в качестве исходных данных;

• исследование открытой информационной структуры САПР, ориентированной на использование знаний внешними информационными системами (функциональными подсистемами);

• выбор и адаптация модели представления знаний в САПР в рамках предложенной структуры;

• анализ методов оценки основных качественных характеристик тематической информации в САПР и внешних информационных системах (функциональных подсистемах);

• анализ необходимости, возможности, средств и методов обратного трансфера данных;

• анализ практики (проблем и решений) построения САПР в соответствие с рассмотренной структурой и моделью.

Объект исследования: информационное обеспечение САПР.

Предмет исследования: структуры и модели знаний в САПР, используемые внешними информационными системами в строительстве.

В основу методологии исследования положены общая теория функциональных систем, системотехника строительства, теория и практика разработки САПР, математическая логика, математическое моделирование, тематические работы отечественных и зарубежных ученых, прикладные исследования в области создания информационного обеспечения процессов строительного проектирования, производства и управления.

Научная новизна исследования состоит в получении лично автором следующих основных результатов:

• предложена открытая информационная структура САПР, ориентированная на использование знаний внешними информационными системами (функциональными подсистемами);

• выбрана и адаптирована модель представления знаний в САПР в рамках предложенной структуры;

• выполнен анализ практики (проблем и решений) построения САПР в соответствие с рассмотренной структурой и моделью.

Практическая значимость диссертации заключается в создании методов, средств и разработке практических рекомендаций построения информационного обеспечения систем и комплексов автоматизации архитектурно-строительного проектирования в соответствие с возможностью использования знаний внешними информационными и аналитическими приложениями в рамках существующей концепции функциональных систем управления современными зданиями и сооружениями.

Предложенный подход позволяет:

• качественно расширить и оптимизировать функции существующей практики автоматизированного проектирования зданий и сооружений;

• более эффективно решать задачи создания современных строительных объектов в соответствие с принципами функционального управления.

Практическая значимость диссертационного исследования подтверждается внедрением полученных результатов.

Внедрение результатов. Результаты диссертации (подход к формированию структур и моделей знаний, оперируемых архитектурно-строительными САПР, ориентированный на возможность их использования внешними информационными системами на стадии автоматизированного проектирования зданий и сооружений в качестве исходных и изменяемых данных для предметно-ориентированного математического и имитационного моделирования, поддержки функций автоматического управления и проч. в рамках создаваемых оригинальных функциональных подсистем) внедрены в отдельных проектах, реализуемых Обществом с ограниченной ответственностью "Инженерная фирма ГИПРОКОН", что позволило предложить новую структуру и схемы информационных потоков оригинальных приложений и существующих сред САПР.

Отдельные части диссертации использованы в процессе подготовки и переподготовки специалистов на кафедрах системного анализа в строительстве и систем автоматизации проектирования в строительстве Московского государственного строительного университета (МГСУ) в лекционных курсах "Системотехника строительства", "Современные информационные технологии в строительстве" и "Информационное обеспечение процессов строительного проектирования и производства", "Информационное обеспечение САПР".

Внедрение результатов работы подтверждено соответствующими документами.

Апробация работы. Содержание и результаты диссертации многократно докладывались на российских и международных конференциях (Всероссийская научно-техническая конференция "Актуальные вопросы строительства. Вторые Соломатовские чтения", Саранск, МГУ им. Н.П. Огарева, 2003 [1]; IV Международная научно-практическая конференция "Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах", Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2003 [3]; VII (международная) научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов "Строительство - формирование среды жизнедеятельности", Москва, МГСУ, 2004 [4]; XIII Российско-польско-словацкий семинар "Теоретические основы строительства", Словакия, Университет г. Жилина, 2004 [5]), обсуждались и одобрены на заседаниях и семинарах кафедры системного анализа в строительстве (2003-2005гг.) МГСУ, секции "Строительство" Российской инженерной академии (2003-2004гг.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в семи научных работах, общим объемом 1,25 п.л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, отражающих содержание выполненного исследования, основных выводов и предложений, библиографического списка, состоящего из 174 наименований, и приложений.

На защиту выносятся положения, составляющие научную новизну диссертационного исследования.

Отдельные теоретические направления исследования, представленные в диссертации, поддержаны Министерством образования и науки Российской Федерации в рамках Федеральной целевой научно-технической программы "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" (Шифр: 05.01.199, Проект: "Разработка принципов построения и исследование особенностей иерархических моделей управляемых интеллектуальных процессов в системах автоматизации строительного проектирования").

ОСНОВНОЕСОДЕРЖАНИЕРАБОТЫ

Введение диссертации содержит обоснование актуальности темы исследования; новизны научно-технической гипотезы о возможности существенного повышения эффективности проектирования и функционирования оригинальных инженерных функциональных систем управления современными зданиями и сооружениями на основе совершенствования методов и моделей подготовки и использования знаний САПР для внешних информационных систем; формулировку цели, задач, решение которых определяет достижение поставленной цели на системотехническом уровне, объекта и предмета исследования. Сформулирована научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Методологическая схема, отражающая взаимосвязь основных составляющих научного исследования, представлена на рис. 1. 6

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ГИПОТЕЗА Повышения эффективности проектирования и функционирования функциональных систем управления зданиями и сооружениями на ■ основе совершенствования методов и моделей подготовки и использования знаний САПР для внешних систем —* ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВ/ Информационное обе ЛИЯ спечение САПР

1

ЦЕЛЬ РАБОТЫ Разработка модели знаний САПР, оптимизированной для использования внешними информационными системами в качестве исходных данных <-* ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ Структуры и модели знаний в САПР, используемые внешними информационными системами в строительстве

< • 1

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ анализ теории и практики организации информационного обеспечения САПР и предметно-ориентированных приложений (комплексов), анализ и классификация внешних информационных систем (функциональных подсистем) использующих знания архитектурно-строительных САПР в качестве исходных данных

исследование открытой информационной структуры САПР, ориентированной на использование знаний внешними информационными системами (функциональными подсистемами), выбор и адаптация модели представления знаний в САПР в рамках предложенной структуры анализ методов оценки основных качественных характеристик тематической информации в САПР и внешних информационных системах (функциональных подсистемах),

анализ необходимости, возможности, средств и методов обратного трансфера данных, анализ практики построения САПР в соответствие с рассмотренной структурой и моделью

МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ Теория функциональных систем, системотехника строительства, теория и практика разработки САПР, математическая лотка, математическое моделирование, тематические работы отечественных и зарубежных ученых, прикладные исследования в области создания информационного обеспечения САПР

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЯ предложена открытая информационная структура САПР, ориентированная на использование знаний внешними информационными системами (функциональными подсистемами),

выбрана и адаптирована модель представления знаний в САПР в рамках предложенной структуры,

выполнен анализ практики (проблем и решений) построения САПР в соответствие с рассмотренной структурой и моделью

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Выполненный в диссертации анализ показал, что современные САПР, наряду с решением задач выполнения чертежей, инженерно-технических расчетов, моделирования и подготовки сопроводительной документации, становится едва ли не единственным источником знаний для внешних (по отношению к САПР) информационных систем, решающих широкий круг задач, ориентированных на создание строительных объектов, отвечающих актуальным требованиям безопасности, ресурсосбережения, экологии, эргономики, комфорта и проч в рамках функциональных систем управления зданиями и сооружениями Выполнена классификация внешних (по отношению к САПР) информационных систем (функциональных подсистем) в рамках расширенных функций автоматизированного проектирования Рассмотрены общие вопросы представления знаний, а также использования для этих целей нечетких формальных моделей Внимание акцентировано на методах и моделях управлении изменениями знаний в САПР, Предложена открытая информационная структура САПР, ориентированная на их использование знаний внешними информационными системами (функциональными подсистемами) Рассмотрены методы оценки основных качественных характеристик тематической информации в САПР и внешних информационных системах Рассмотрены основные вопросы практики построения информационного обеспечения САПР для внешних систем Выполнен анализ используемых технологий, программного обеспечения, операционных платформ и сетевых решений Основное внимание уделено адаптации предложенных решений к существующим информационным стандартам и технологиям классов Computer Aided Design (CAD) - компьютерная поддержка проектирования Computer Aided Manufacturing/Management (CAM) - компьютерная поддержка производства/ управления Computer Aided Engineenng (CAE) - компьютерная поддержка конструирования (разработки), Product Data Maniement (PDM) - управление данными о продукте, а также технологиям класса Continuous Acquisition and Life Cycle Support (CALS) - непрерывность поставок продукции и поддержки ее жизненного цикла

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ Общество с ограниченной ответственностью "Инженерная фирма "ГИПРОКОН", процесс подготовки и переподготовки специалистов на кафедрах системного анализа в строительстве и систем автоматизации проектирования в строительстве МГСУ

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ Доклады на российских и международных конференциях, симпозиумах форумах, коллоквиумах и семинарах Обсуждение на заседаниях и семинарах кафедры системного анализа в строительстве совете специального факультета САПР МГСУ, секции "Строительство* Российской инженерной академии

Результаты диссертационного исследования опубликованы в семи научных работах

Рис 1. Методологическая схема исследования

Первая глава диссертации содержит анализ состава, теории и практики организации информационного обеспечения САПР. Выполнен анализ и классификация внешних (по отношению к САПР) информационных систем (функциональных подсистем), использующих знания архитектурно--строительных САПР в качестве исходных данных.

Информационное обеспечение САПР — это комплекс систем документации и данных, единой системы классификации и кодирования информации и массивов информации, используемой в автоматизированных системах. В целом, информационное обеспечение САПР представляет собой совокупность данных, средств описания данных, методов организации, хранения, накопления и доступа к информационным массивам, составляющим информационную базу системы, в состав которой входят:

• нормативные," и справочные данные, составляющие информационный банк системы;

• текущие сведения об объекте проектирования и сведения, поступающие извне системы, влияющие на процесс проектирования;

• накапливаемые архивные и учетные сведения, необходимые для развития системы принятия проектных решений.

При разработке информационного обеспечения САПР учитываются как общие свойства систем, основным из которых является ее представление в виде набора логически и функционально взаимосвязанных между собой компонентов, так и ряд особенностей, характерных для архитектурно-строительных САПР (по В.М. Гинзбургу):

• иерархическая структура подсистем проектирования и управления;

• наличие общей цели для всей системы и частных целей для подсистемы любого уровня, подчиненных общей цели;

• наличие большого количества составных взаимосвязанных элементов;

• наличие человеческого фактора как элемента системы на всех уровнях иерархии.

Анализ, выполненный А.А. Волковым и в рамках настоящей диссертации показал, что именно информационное обеспечение САПР является основой проектирования и функционирования оригинальных информационно-аналитических и инженерно-технических систем, реализующих концепцию функционального управления зданиями и сооружениями - "интеллектуального здания". Действительно, исключительно САПР являются источником формализованных знаний о конструктивных, технических, технологических и иных решениях, применяемых при строительстве конкретного объекта. Оригинальное прикладное программное обеспечение на основе САПР, расширяющее возможности используемых решений в части проектирования инженерного оборудования и иных систем здания или сооружения, использует и дополняет знания САПР. Еще одним аргументом в пользу такого подхода является наличие устойчивых форматов представления и классификации предметно-ориентированных данных САПР, расширенное использование и конвертирование которых - задача, успешно решаемая сегодня на уровне построения комплексов программного обеспечения.

Таким образом, знания САПР являются информационной платформой построения формальной модели строительного объекта как основы проектирования функциональной системы управления этим объектом, а также создания новых и проектирования элементов автоматического управления существующими системами в комплексе средств интеллектуальной автоматизации и активной безопасности зданий и сооружений (по А.А. Волкову). Соответственно, функции автоматизированного проектирования существенно расширяются (рис. 2).

Классификация внешних (по отношению к САПР) информационных систем (функциональных подсистем) в рамках расширенных функций автоматизированного проектирования (см. рис. 2), использующих знания архитектурно-строительных САПР в качестве исходных данных, приведена на рис. 3. Основой предложенной классификации стала схема направлений развития функциональных систем управления зданиями, предложенная А.А. Волковым.

Вторая глава диссертации посвящена математическим основаниям моделей знаний в САПР (по В.Ф. Яковлеву и Н.В. Шалимовой). Рассмотрены общие вопросы представления знаний, а также использования для этих целей нечетких формальных моделей. Кроме прочего, внимание акцентировано на методах и моделях управлении изменениями знаний в САПР.

Для построения любой системы представления знаний требуется определить языки двух типов (К.Е. Левитин, Д.А. Поспелов): описания знаний и манипулирования знаниями. Язык первого типа служит для инициализации знаний, язык второго типа — описывает метапроцедуры, оперирующие знаниями.

Пусть, например, - метапроцедуры, оперирующие с

процедурными знаниями, которые овеществлены в системах (программах) Р = {Р„Р1,...,Р1}. В этих системах (программах) нет никаких конкретных исходных данных. В них есть лишь специальные идентификаторы в

которых указано, какие исходные данные и в какой форме должны быть заданы для работы соответствующей программы.

Назначение метапроцедур для процедурных знаний может быть самым разным. С их помощью происходит поиск нужной программы, наполнение ее конкретными данными, передача данных от одной программы к другой, расшифровка операторов и проч. Пусть М' = {М4+|,МН2,...,А/!} - метапроцедуры, оперирующие с декларативными знаниями, которые овеществлены в базах данных £> = {!>!,И2,.«,£>,}• В таких базах нет никаких процедурных элементов. Специальные идентификаторы служат для указания на те

структуры данных, которые используются в данной базе данных. Метапроцедуры, работающие с декларативными знаниями, могут выполнять самые разнообразные задачи: находить нужную базу данных, осуществлять поиск необходимой информации в базе данных, переводить данные из одной формы представления в другую и проч. Совокупность всех метапроцедур - это уровень языка манипулирования знаниями; совокупность программ, баз данных и идентификаторов —уровеньязыка описания знаний.

Несмотря на разнообразие языков программирования, используемых для описания процедурных знаний, их можно разделить на два типа: языки, в явной форме задающие процедуру, и языки, задающие процедуру в неявной форме. Большинство языков программирования относится к первому типу. В той или иной форме в основе этих языков лежит модель продукций - множества правил (продукций), образующих грамматику языка; эти правила описывают те последовательности слов, которые считаются корректными (допустимыми)

фразами языка; грамматика позволяет осуществлять грамматический анализ фразы, а значит, и явно описывать ее структуру. Модель продукций служит также основой большинства формальных уточнений понятия алгоритма. Элементарный шаг в таких языках связан с выполнением подстановки вида А —> В, где А И В -некоторые выражения языка программирования.

Среди языков описания декларативных знаний распространены логические, реляционные, фреймовые и сценарные. В качестве логических в подавляющем числе случаев используются языки исчисления предикатов первого порядка. В подобных языках все описания представляют собой правильно построенные формулы используемого исчисления. В этой форме описываются как факты, так и закономерности. Преимуществом таких языков являются достаточно эффективные процедуры преобразования знаний. Для этого могут быть использованы такие универсальные процедуры, как метод резолюций и его многочисленные модификации. Сведение преобразования знаний к процедурам логического вывода позволяет точно ставить и решать многие задачи, связанные с противоречиями в знаниях или их неполнотой. Недостатком, присущим всем языкам логического типа, является громоздкость описаний. Кроме того, в системах, основанных на логических языках с привлечением классических аксиоматических теорий множеств, проблемой может стать композиция и декомпозиция отдельных единиц знаний.

Особенностью реляционных языков является наличие средств для явного определения именованных отношений между отдельными единицами знаний. В этом типе языков наиболее простыми являются табличные языки. Их математической моделью служит исчисление предикатов первого порядка. Следовательно, по своим возможностям табличные языки эквивалентны тем, которыми обладают классические предикатные исчисления. Моделями реляционных языков иного типа являются семантические сети. Реляционные языки хорошо отражают те свойства знаний, которые связаны с наличием у них внутренней структуры и сети отношений, связывающих отдельные единицы знаний в ситуативные или родовидовые классифицирующие образования.

Наиболее перспективным классом языков для представления знаний являются языки фреймового типа. Общая структура фрейма ("оболочки") выглядит следующим образом:

где - имя информационной единицы (фрейма), - имена ее частей, которые называют слотами (ячейками), а - значения слотов. В качестве значения некоторого слота может стоять слот второго уровня, что приводит к структуре вида:

в которой слот с именем jl сам образует систему слотов. Этот процесс развертывания слота в систему новых слотов может продолжаться неограниченно. Кроме того, в качестве значения слота любого уровня вложенности может стоять имя другой информационной единицы. Появление такого значения есть сигнал о переходе к единице информации с указанным

именем. Такие переходы задают отношения между информационными единицами, т.е. структуру на множестве информационных единиц. Наконец, в качестве значения слота может стоять имя некоторой процедуры, что соответствует вызову этой процедуры для ее выполнения. Это позволяет соединять в одно целое декларативные и процедурные знания.

Число слотов фрейма может быть фиксированным или наращиваться в процессе заполнения или формирования базы знаний. Каждый слот фрейма может содержать как некоторую конечную информацию, так и делиться на ряд слотов более низкого уровня. Это позволяет в полной мере реализовать во фреймах операцию декомпозиции знаний. Фреймовые языки позволяют реализовать еще одну специфическую особенность знаний. Это т.н. активность знаний.

Особым типом фреймовых представлений являются так называемые сценарии. По существу сценарии - это процедурные знания, записанные в виде семантической сети с вложениями, которые можно представить в виде вложенных структур слотов. Дуги этой сети отождествляются с элементарными действиями, а пути - с цепочками этих действий. Вершины сценария описывают состояния, в которых имеется альтернативный выбор для дальнейшего движения к целевому состоянию (В.Ф. Яковлев, Н.В. Шалимова).

В главе также выполнен анализ нечетких моделей знаний в САПР, построенных на базе классических конструкций бинарной логики и теории множеств. Рассмотрены формализм алгебры бинарных отношений, аксиоматика булевых алгебр, нечеткие высказывания, нечеткое отрицание, нечеткая конъюнкция, нечеткая дизъюнкция, примеры теоретико-множественной интерпретации нечетких логических связок для представления знаний в САПР.

Рассмотрены методы управления изменениями знаний на основе изложенного взгляда на модели и языки описания и представления знаний в САПР.

Третья глава диссертации содержит описание модели представления знаний в САПР для внешних информационных систем. Предложена открытая информационная структура САПР, выполнен анализ методов оценки основных качественных характеристик тематической информации в САПР и внешних информационных системах (функциональных подсистемах), рассмотрены вопросы организации обратного трансфера данных.

Модель представления знаний в САПР для внешних информационных систем построена на основе адаптации оригинальной модели описания предметной области (В.В. Кульба, С.С. Ковалевский, С.А. Косяченко, В.О. Сиротюк):

где: F = {/ |/ = 1,1} - множество автоматизируемых функций;

Н = {к},] = 1,7} - множество задач (процедур) обработки данных; 5 = = 1,АГ} -множество внешних информационных систем; О = {о„\т = 1 ,М] - множество объектов и процессов автоматизации;

V'" = {у,[/ е !,„} - множество входных данных;

Vм = {у,|/ е Ьы} - множество выходных данных;

(при этом: V = V" и Vм - полное множество информационных

Я = {гу\у = \,У} - множество отношений (связей) между компонентами

Открытая информационная структура САПР при этом строится на определении следующих отношений:

г,(^,Я) - отношение "функции - задачи (процедуры)". Каждый кортеж отношения /■„ определяет использование некоторых задач (процедур) обработки данных конкретной функцией;

г2(Р,0) - отношение "функции - объекты (процессы) автоматизации". Каждый кортеж отношения г2 характеризует принадлежность объекта (процесса) автоматизации той или иной функции;

- отношение "функции - внешние информационные системы". Каждый кортеж отношения характеризует использование той или иной функции внешней информационной системой;

- отношение "функции - информационные элементы". Каждый кортеж отношения определяет использование входных и получение выходных информационных элементов при реализации определенной функции;

- отношение "задачи (процедуры) - внешние информационные системы". Каждый кортеж отношения определяет соответствие тех или иных задач обработки данных потребностям внешних информационных систем;

- отношение "задачи (процедуры) - объекты (процессы) автоматизации". Каждый кортеж отношения определяет соответствие объектов (процессов) автоматизации задачам (процедурам) обработки данных;

- отношение "задачи (процедуры) - данные". Каждый кортеж отношения определяет использование входных и получение выходных информационных элементов при выполнении определенных процедур обработки данных;

- отношение "объекты (процессы) автоматизации - данные". Каждый кортеж отношения характеризует информационное содержание (описание) определенного объекта.

Формально модель представления знаний в САПР для внешних информационных систем описывается с помощью множеств и булевых матриц смежности:

которые определяют соответствующие отношения между компонентами знаний предметной области.

Элементы матриц смежности равны " 1", если между соответствующими компонентами имеется соотношение (связь), и равны "О", в противном случае.

Исходными данными для формирования модели являются результаты предпроектных исследований и анализа объектов автоматизации и соответствующих процессов их использования, которые представляются стандартных формах (табл. 1—5).

В главе рассмотрены методы оценки основных качественных характеристик тематической информации в САПР и внешних информационных системах: репрезентативность, содержательность, достаточность, доступность, актуальность, своевременность, точность, достоверность и устойчивость и проч. в рамках предложенной открытой информационной структуры и модели представления знаний в САПР для внешних информационных систем. Внимание акцентировано на случаях, когда функционирование внешних информационных систем параллельно САПР, определяет необходимость коррекции процесса проектирования в той или иной его части, т.е. - рассматривается задача обратного трансфера данных "внешняя информационная система - САПР" (рис. 4).

Прямой трансфер данных

СИСТЕМЫ (КОМПЛЕКСЫ) АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВНЕШНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ (ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПОДСИСТЕМЫ)

Обратный трансфер данных

Рис 4 Прямой и обратный трансфер данных "САПР - внешняя информационная система" 14

Четвертая глава диссертации касается практики построения информационного обеспечения САПР для внешних систем. Рассмотрены основные используемые технологии, программное обеспечение, операционные платформы и сетевые решения.

Основное внимание уделено адаптации предложенных решений к существующим информационным стандартам и технологиям. Речь идет, в первую очередь, о технологиях классов Computer Aided Design (CAD) - компьютерная поддержка проектирования, Computer Aided Manufacturing/Management (CAM) -компьютерная поддержка производства/управления, Computer Aided Engineering (CAE) - компьютерная поддержка конструирования (разработки), Product Data Management (PDM) - управление данными о продукте, а также о технологиях класса Continuous Acquisition and Life Cycle Support (CALS) - непрерывность поставок продукции и поддержки ее жизненного цикла.

Предложенная информационная структура и модель представления знаний в САПР для внешних информационных систем, построена таким образом, чтобы предоставить различным прикладным программам, в том числе — классам программ на основе технологий CAD/CAM/CAE/PDM, возможность доступа к необходимому набору данных на основе использования спецификации международного стандарта ISO (International Organization for Standardization) 10303 - STEP - Standard for the Exchange of Product model data (ГОСТ Р ИСО 10303 — Стандарт о представлении информации об изделии и способам работы с ней). Средствами ISO 10303 - STEP регламентируется логическая структура тематических баз данных, номенклатура информационных объектов, хранимых в базах данных, их связи и атрибуты, а также способы организации информационного обмена с помощью текстового обменного файла (ISO 10303— 21) и через стандартный программный интерфейс (ISO 10303-22 - SDAI -Standard Data Access Interface). Обменный файл - символьный, и независим от конкретного программного обеспечения и используемых платформ. Формат обменного файла регламентирован стандартом ISO 10303, что гарантирует его совместимость с любым программным обеспечением, совместимым со стандартом STEP. Это позволяет использовать обменный файл для связи неинтегрированных приложений STEP, использующих одинаковые или интероперабельные схемы между собой.

Типовые информационные объекты, такие как данные о составе изделия, материалах, геометрии изделия, независимые от характера описания изделия, называются в стандарте "интегрированными ресурсами", на основе которых строятся схемы баз данных об изделии для разных предметных областей, в том числе - строительства. Готовые схемы баз данных - т.н. проколы (правила) применения, представляют собой типовые решения.

Выгодной отличительной особенностью ISO 10303 - STEP от аналогичных является его расширяемость. В стандарте регламентирована методика разработки новых моделей данных, определяющая согласованность новых информационных моделей как с самим стандартом, так и с другими моделями данных. Это дает возможность, дополняя международную модель необходимыми понятиями, адаптировать ее для использования в каждой конкретной САПР с любой моделью данных любой внешней информационной системы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Выполненный в диссертации анализ показал, что современные САПР, наряду с решением задач выполнения чертежей, инженерно-технических расчетов, моделирования и подготовки сопроводительной документации, становится едва ли не единственным источником знаний для внешних (по отношению к САПР) информационных систем, решающих широкий круг задач, ориентированных на создание строительных объектов, отвечающих актуальным требованиям безопасности, ресурсосбережения, экологии, эргономики, комфорта и проч. в рамках функциональных систем управления зданиями и сооружениями (А.А. Волков), фундаментальными основами которых является теория функциональных систем (П.К. Анохин) и системотехника строительства (А.А. Гусаков). В этой связи, функции автоматизированного проектирования зданий и сооружений существенно расширяются, т.к. именно на этой стадии проект адаптируется к использованию тех или иных оригинальных инженерно-технических решений.

2. Выполнена классификация внешних (по отношению к САПР) информационных систем (функциональных подсистем) в рамках расширенных функций автоматизированного проектирования, использующих знания архитектурно-строительных САПР в качестве исходных данных. Основой предложенной классификации стала схема направлений развития функциональных систем управления зданиями, предложенная А.А. Волковым.

3. Рассмотрены общие вопросы представления знаний, а также использования для этих целей нечетких формальных моделей. Внимание акцентировано на методах и моделях управлении изменениями знаний в САПР. Для построения системы представления знаний определены языки двух типов: описания знаний и манипулирования знаниями. Язык первого типа служит для инициализации знаний, язык второго типа — описывает метапроцедуры, оперирующие знаниями. Среди языков описания декларативных знаний рассмотрены логические, реляционные, фреймовые и сценарные. Наиболее перспективным классом языков для представления знаний в САПР для использования внешними информационными системами определены языки фреймового типа.

4. Предложена открытая информационная структура САПР, ориентированная на их использование знаний внешними информационными системами (функциональными подсистемами), на основе адаптации оригинальной модели описания предметной области (В.В. Кульба, С.С. Ковалевский, С.А. Косяченко, В.О. Сиротюк) построена модель представления знаний в САПР в рамках предложенной структуры.

5. Рассмотрены методы оценки основных качественных характеристик тематической информации в САПР и внешних информационных системах: репрезентативность, содержательность, достаточность, доступность, актуальность, своевременность, точность, достоверность и устойчивость и проч. в 16

рамках предложенной открытой информационной структуры и модели представления знаний в САПР для внешних информационных систем. Внимание акцентировано на случаях, когда функционирование внешних информационных систем параллельно САПР, определяет необходимость коррекции процесса проектирования в той или иной его части, т.е. - рассматривается задача обратного трансфера данных "внешняя информационная система - САПР".

6. Рассмотрены основные вопросы практики построения информационного обеспечения САПР для внешних систем. Выполнен анализ используемых технологий, программного обеспечения, операционных платформ и сетевых решений. Основное внимание уделено адаптации предложенных решений к существующим информационным стандартам и технологиям классов Computer Aided Design (CAD) - компьютерная поддержка проектирования, Computer Aided Manufacturing/Management (CAM) - компьютерная поддержка производства/управления, Computer Aided Engineering (CAE) - компьютерная поддержка конструирования (разработки), Product Data Management (PDM) -управление данными о продукте, а также технологиям класса Continuous Acquisition and Life Cycle Support (CALS) - непрерывность поставок продукции и поддержки ее жизненного цикла.

7. Выполненная работа, полученные теоретические и практические результаты позволяют определить основные направления дальнейших исследований в рамках рассматриваемой предметной области:

• углубленный анализ логики нечетких моделей представления знаний в САПР для использования внешними информационными системами;

• дальнейшее совершенствование методов оценки основных качественных характеристик тематической информации в САПР и внешних информационных системах;

• обоснование возможности расширения спектра внешних информационных систем (функциональных подсистем), использующих знания архитектурно-строительных САПР в качестве исходных данных;

• разработка методов и средств активного практического внедрения предложенных решений как основы проектирования информационного обеспечения архитектурно-строительных САПР всех уровней.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Чамов М.Б. К вопросу моделирования информационных систем в строительстве // Материалы Всерос. науч.-техн. конф. "Актуальные вопросы строительства. Вторые Соломатовские чтения". - Саранск: МГУ им. Н.П. Огарева, 2003. - с. 478-479.

2. Чамов М.Б. Модели информационных систем в строительстве // Сб. науч. тр. каф. ИСТУС МГСУ / Информационные системы и технологии управления строительством. - Вып. №1. - М.: МГСУ, 2003. - с. 146-148.

3. Чамов М.Б. Моделирование информационных систем в строительстве // Материалы IV междунар. науч.-практ. конф. "Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах". - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), - 2003. - Ч. 3. - с. 29-31.

4. Чамов М.Б. Моделирование информационных систем и сред САПР // Материалы VII (международной) науч.-практ. конф. "Строительство — формирование среды жизнедеятельности". - М.: МГСУ, 2004. - Кн. 2. - с. 380— 382.

5. Чамов М.Б. Анализ САПР // Сборник докладов XIII словацко-польско-российского семинара "Теоретические основы строительства". -М.: МГСУ, 2004. -с. 349-351.

6. Чамов М.Б. Математическое моделирование информационной среды систем автоматизированного проектирования // Сб. науч. тр. МИКХиС / Под. общ. ред. СМ. Яровенко. - М.: МИКХиС, 2004. - с. 198-200.

7. Чамов М.Б. Структуры и модели данных САПР для внешних информационных систем в строительстве // Сб. науч. тр. "Системный анализ, управление и обработка информации в строительстве". - Вып. №1. - М.: МГСУ, 2005. - с. 37-40.

Лицензия ЛР №020675 от 09.12.1997г. Московский государственный строительный университет

Подписано в печать 25.05.2005. Формат 60x841/16 Печать RISOGRAPH

Объем 1,0 п.л._Тираж 100_Заказ № б/н_

КОПИ-ЦЕНТР св. 77:07:10429 Москва, ул. Енисейская, 36

* ч

1 2 ИЮЛ 2005- • \