Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ кибернетики строительных систем 13
1.1 Анализ теории и практики построения и функционирования строительных систем как объектов управления и киберфизической интеграции 13
1.2 Анализ объектов и процессов автоматизации проектирования киберфизических строительных систем 22
1.3 Направления повышения эффективности и инновационного потенциала управления жизненными циклами “проектирование – производство – эксплуатация” 27
1.4 Выводы по главе 1 29
Глава 2 Киберфизическая интеграция строительных систем 31
2.1 Методология киберфизической интеграции строительных систем 31
2.2 Универсальная модель топологии киберфизических строительных систем 36
2.3 Модель киберфизической интеграции строительных систем 47
2.4 Выводы по главе 2 73
Глава 3 Проектирование киберфизических строительных систем 76
3.1 Общая модель обмена данными киберфизических строительных систем 76
3.2 Общая модель управления данными киберфизических строительных систем 97
3.3 Выводы по главе 3 123
Глава 4 Автоматизация проектирования киберфизических строительных систем 125
4.1 Методология автоматизации проектирования киберфизических строительных систем 125
4.2 Алгоритм автоматизированного проектирования структуры данных киберфизических строительных систем 127
4.3 Методика автоматизации проектирования аппаратного обеспечения функций киберфизических строительных систем 132
4.4 Методика автоматизации проектирования программного обеспечения функций киберфизических строительных систем 136
4.5 Выводы по главе 4 141
Глава 5 Внешняя интеграция киберфизических строительных систем 144
5.1 Внешние киберфизические строительные системы 144
5.2 Внешняя интеграция киберфизических строительных систем 145
5.3 Модель внешней интеграции киберфизических строительных систем 153
5.4 Выводы по главе 5 170
Глава 6 Практика построения элементов киберфизической интеграции строительных систем 171
6.1 Информационная технология автоматизированного проектирования киберфизических строительных систем 171
6.2 Методика верификации структуры данных киберфизических строительных систем 177
6.3 Практика построения элементов киберфизической интеграции строительных систем 183
6.4 Перспективные направления дальнейших исследований в области киберфизической интеграции строительных систем 213
6.5 Выводы по главе 6 216
Заключение 218
Список сокращений и условных обозначений 225
Список литературы 226
Список иллюстративного материала 243
Приложение А. Перечень примеров возможных величин параметров состояния, управляющих воздействий и возмущающих воздействий 245
Приложение Б. Список опубликованных научных работ П.Д. Челышкова 259
Приложение В. Титульные листы патентов на полезные модели, патентов на промышленные образцы, свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ, полученные П.Д. Челышковым в ходе проведения исследований 284
Приложение Г. Акты о внедрении научных и практических результатов диссертации 341
- Анализ объектов и процессов автоматизации проектирования киберфизических строительных систем
- Общая модель обмена данными киберфизических строительных систем
- Внешняя интеграция киберфизических строительных систем
- Практика построения элементов киберфизической интеграции строительных систем
Анализ объектов и процессов автоматизации проектирования киберфизических строительных систем
Задачи автоматизации проектирования КСС рассматриваются в рамках настоящей работы как задачи реализации жизненного цикла “проектирование – производство – эксплуатация”, построение методологии автоматизированного проектирования, разработку и исследование моделей и алгоритмов для синтеза и анализа проектных решений.
Федеральный закон №384 “Технический регламент о безопасности зданий и сооружений” определяет жизненный цикл (далее – ЖЦ, жизненный цикл) здания или сооружения как “период, в течение которого осуществляются инженерные изыскания, проектирование строительство (в том числе консервация), эксплуатация (в том числе текущие ремонты), реконструкция, капитальный ремонт, снос здания или сооружения” [120].
Н.П. Четверик в статье “Жизненный цикл объектов техносферы на основе инновационных решений” выделяет такие стадии жизненного цикла объектов техносферы [122]:
предпроектная стадия, оформление технико-экономического обоснования и технического задания на разработку объектов техносферы;
проектирование (технологическое проектирование);
строительство объектов техносферы;
монтаж и пуско-наладка технлогического оборудования;
ввод объектов в эксплуатацию;
эксплуатация (модернизация, реконструкция);
вывод объектов техносферы из эксплуатации на основе анализа остаточного ресурса (консервация, утилизация и ликвидация) [122].
При этом выделяются следующие процедуры проектирования [122]:
разработка и реализация мер по защите человека, среды его обитания от различных негативных воздействий;
применение таких конструктивных схем и строительных конструкций, которые сведут на нет возможные отрицательные, вредные и опасные факторы с учетом характеристик технологического процесса и оборудования;
анализ потенциально опасных факторов и мероприятия по их защите;
расчет и выбор средств, процедур и механизмов защиты;
оценка эффективности принятых решений на основе инновационных подходов, современных системных средств и программного обеспечения;
обеспечение устойчивости состояния объектов техносферы в различных ситуациях, в том числе во время чрезвычайных ситуаций техногенного, природного и иного характера по своим опасностям (происхождению, характеру воздействия на человека, вызываемым последствиям и времени проявления их);
разработка условий локализации и ликвидации возможных последствий негативных воздействий с учетом риска возникновения чрезвычайных ситуаций [122].
К.Ю. Лосев в статье “Создание и внедрение технологии управления жизненным циклом объекта строительства” обращает внимание что “время требует разработки технологии информационной поддержки объектов строительства на всех этапах жизненного цикла на основе единого информационного пространства и единой информационной модели объекта” [105].
Описанный подход к жизненному циклу изделий существует в промышленности (особенно военной промышленности) не одно десятилетие [105].
Необходимость создания информационных технологий сопровождения жизненного цикла определяется “требованиями повышения эффективности принятия решений и повышения конкурентоспособности выпускаемой продукции, сокращения сроков производства качественных изделий, а также полной интеграции информационных технологий на всех этапах производства и функционирования изделий” [105, 131].
Существующие стандарты в области систем автоматизации проектирования в целом существенно повысили эффективность инженерного обеспечения жизненного цикла продукции [99].
Рассмотрим существующие стандарты, регламентирующие ЖЦ продукта. В [99] говориться, что “стандарты жизненного цикла продукта, по сути, и есть правила передачи данных между этапами для обеспечения конкурентности на рынке, базируются на информационных моделях и в контексте и в контексте интеллектуального производства экосистемы включают в себя 6 этапов: проектирование (дизайн), планирование процессов, технологии производства, изготовление, эксплуатацию и техническое обслуживание, а также, по окончании срока эксплуатации, и утилизацию...” [99].
“Стандарты практики моделирования определяют основные методы использования данных, продуктово-определенные как для двумерных (2D) чертежей, так и для трехмерных (3D) моделей. Есть несколько стандартов, доступных по всему миру, которые определяют символы и правила для размеров и допусков, как на электронных, так и на бумажных носителях” [99].
“Преобладающими стандартами являются стандарты ASME (Американское общество инженеров-механиков) Y14.5 GD & T (Геометрические размеры и допуски) и Международной организации по стандартизации, ISO/TC 213 GPS (Геометрические спецификации продукции) и ISO / TC 10 Техническая документация по продуктам” [99].
“Стандарт ASME Y14.5 сочетает в себе набор тем для GD & T в одном документе стандартов. В дополнение GD & T, ASME Y14.36M, ISO 1302 установлены стандарты для передачи требований контроля текстур поверхности и определения свойств текстуры поверхности” [99].
“Совместный IEC / ISO стандарт 81714 определяет графические символы для использования в технической документации на продукцию. Существуют также стандарты для конкретных производственных областей, таких как электронное моделирование электронных изделий, например IPC-D-325 для печатных плат, сборок и опорных чертежей” [99]. IEC – International Electrotechnical Commission – Международная электротехническая комиссия (англ.)
“Стандарты на информационную модель продукта и обмена данными включают стандарты ISO 10303 – 203/214/210/212/242, ISO 14306 (JT), ISO 14739 (PRC), ISO/ASTM 52915 (AMF)” [99-132]. ASTM – American Society for Testing and Materials – американская международная организация, разрабатывающая и издающая добровольные стандарты для материалов, продуктов, систем и услуг (англ.). “Эти стандарты охватывают вопросы представления информации о продукте и технического обеспечения обмена данными между программными комплексами автоматизированного проектирования различных производителей” [99].
STEP (Standard for Exchange of Product model data – Стандарт обмена данными модели изделия (англ.)) “уникален тем, что рассматривает более широкий круг вопросов, чем требуется для решения задач автоматизации проектирования. Архитектура STEP включает в себя основополагающие методы для определения и обмена данными и архитектуры для интеграции определенных данных в выполнимые единицы, называемыми прикладными протоколами, где информация систем автоматизированного проектирования подключается к структуре продукта, а также широкий круг другой информации, необходимой для обеспечения жизненного цикла продукта и элементов продукта. Наибольшее распространение получили 203 прикладной протокол для аэрокосмической и оборонной отрасли и 214 прикладной протокол для автомобильной отрасли” [99].
Важно создать стандартный интерфейс между данными информационных технологий сопровождения жизненного цикла и данными, порождаемыми в специализированных программных средствах и сохраняемых в базах данных соответствующих этапов жизненного цикла объектов строительства [105].
Общая модель обмена данными киберфизических строительных систем
Задачи проектирования КСС решаются на стадиях планирования (в рамках постановки целей, задач и граничных условий), проектирования и восстановления жизненного цикла КСС.
В процессе проектирования КСС определяются следующие параметры:
1. Количество и типы подсистем физического уровня (строительных систем).
2. Количество и тип регулируемых параметров.
3. Количество каналов управления (управляющих воздействий).
4. Законы формирования управляющих воздействий.
Общая модель обмена данными КСС описывает процессы функционирования КСС, производства, обработки и обмена данными между уровнями иерархии в рамках одной стадии, согласно универсальной модели топологии КСС. Рассматриваемая модель распространяется на уровень контроля, уровень преобразования и физический уровень в рамках стадии создания, эксплуатации, восстановления, преобразования и вывода из эксплуатации и утилизации.
Модель имеет оригинальную структуру, описанную математически с использованием известных из теории автоматического управления [87] подходов.
Модель рассматривает определенные в первой главе настоящей работы строительные системы:
1) система мониторинга состояния и управления конструкциями;
2) система выработки (добычи) воды;
3) система подготовки (очистки) воды;
4) система доставки воды (насосные станции);
5) система распределения воды (водопроводная сеть);
6) система сбора и очистки дождевой воды;
7) система оборотного водоснабжения;
8) система канализации;
9) система ливневой канализации;
10) система очистки стоков;
11) система производства (генерации) тепла;
12) система доставки тепла (теплоснабжения);
13) система производства холода;
14) система доставки холода;
15) система отопления;
16) система вентиляции;
17) система кондиционирования воздуха;
18) светопрозрачные конструкции;
19) система электроосвещения;
20) система дневного освещения с применением световодов;
21) система выработки (генерации) электроэнергии;
22) система трансформации электроэнергии;
23) система аккумулирования электроэнергии;
24) система распределения электроэнергии;
25) система хранения газа;
26) система подачи газа;
27) система распределения газа;
28) система телефонной связи;
29) система телеграфной связи;
30) система радиосвязи;
31) система телевизионной связи;
32) система спутниковой связи;
33) система компьютерной связи;
34) система факсимильной связи;
35) системы вертикального транспорта;
36) разгрузочно-погрузочные механизмы;
37) транспортные средства;
38) система сигнализации;
39) система контроля и управления доступом;
40) система охраны периметра;
41) системы пожаротушения;
42) системы пожарной сигнализации.
Данная группа подсистем представляется исчерпывающей в рамках решения поставленных задач киберфизической интеграции строительных систем.
Общая модель обмена данными КСС представлена на Рисунок 3.1. Модель имеет блочную структуру. Функциональные блоки модели имеют нумерацию следующей структуры: ).m.l.z, где ) – номер КСС (в рассматриваемой группе интегрируемых КСС), – номер стадии жизненного цикла КСС, + – уровень иерархии, z – номер блока в рамках моделируемой стадии жизненного цикла КСС.
Функциональные блоки призваны моделировать процессы функционирования КСС на названных выше уровнях иерархии КСС. В таблице 3.1 приведены наименования функциональных блоков.
Функциональные блоки имитации строительных систем формируют значения регулируемых параметров (параметров строительных систем) (s) с учетом поступающих возмущающих (w) и управляющих (?) воздействий. Структура данных функционального блока имитации процессов имеет вид (3.1).
Функциональные блоки контроля параметров предназначены для имитации процесса преобразования данных, поступающего с физического уровня КСС в сигналы, доступные к использованию на уровне контроля КСС. Рассматриваемые функциональные блоки обеспечивают имитацию формирования пакетов данных, задержек по времени и искажений в процессах передачи информации.
Функциональные блоки формирования сигналов управления обеспечивают моделирование процесса формирования сигналов управления (у). Сигналы управления формируются на основании сигналов о параметрах состояния (х), сигналов о возмущающих воздействиях (/) и целевых параметрах (хи). Структура данных функционального блока формирования сигналов управления имеет вид, как показано в выражениях (3.4, 3.5)
Функциональные блоки регулирования параметров предназначены для имитации процесса преобразования сигналов уровня контроля в управляющие воздействия, влияющие на состояние объектов физического уровня КСС (строительных систем). Рассматриваемые функциональные блоки обеспечивают имитацию формирования пакетов данных, задержек по времени и искажений в процессах передачи информации.
Функциональная зависимость функционального блока контроля параметров имеет вид (3.6).
Внешняя интеграция киберфизических строительных систем
При проектировании внешней интеграции КСС вводится понятие информационный объём. Информационный объём - это совокупность источников информации (элементов и баз данных) содержащейся на определенном уровне иерархии в определенной стадии жизненного цикла КСС.
При проектировании внешней интеграции КСС необходимо соотнести жизненные циклы с общей точкой отсчета по времени и выделить соотносящиеся информационные объёмы интегрируемых КСС. Соотносящиеся информационные объемы - это информационные объёмы интегрируемых КСС определяемые в границах пересечения двух рассматриваемых стадий жизненного цикла КСС. Другими словами, соотносящиеся информационные объёмы существуют пока продолжаются данные стадии жизненных циклов интегрируемых КСС. В момент перехода хотя бы одной из интегрируемых КСС в новую стадию жизненного цикла определяются новые соотносящиеся информационные объёмы.
Все возможные варианты определения соотносящихся информационных объёмов можно рассмотреть с помощью приведённой на Рисунок 5.1 диаграммы определения соотносящихся информационных объёмов.
Центральный сектор диаграммы определения соотносящихся информационных объёмов описывает стадии жизненного цикла ї-й КСС, концентрические кольца описывают стадии жизненного цикла у -й КСС (первое кольцо - стадия планирования, второе кольцо - стадия проектирования, третье кольцо - стадия создания, четвертое кольцо - стадия эксплуатации, пятое кольцо -стадия восстановления, шестое кольцо - стадия преобразования, седьмое кольцо -стадия вывода из эксплуатации и утилизации).
Информационный объём Q{{ представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии планирования ї-й КСС и/-й КСС.
Информационный объём Ql 2 представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии планирования ї-й КСС и стадии проектирования у -й КСС.
Информационный объём Q1 представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии планирования ї-й КСС и стадии создания/-й КСС.
Информационный объём Q1 представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии планирования ї-й КСС и стадии эксплуатации у -й КСС.
Информационный объём Q1 представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии планирования ї-й КСС и стадии восстановления у -й КСС.
Информационный объём Q[j6 представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии планирования ї-й КСС и стадии преобразования у -й КСС.
Информационный объём Q[j7 представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии планирования ї-й КСС и стадии вывода из эксплуатации и утилизации у -й КСС.
Информационный объём Q2{ представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии проектирования ї-й КСС и планирования у -й КСС.
Информационный объём Q2j2 представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии проектирования ї-й КСС и/-й КСС.
Информационный объём Q2{ представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии проектирования ї-й КСС и стадии создания у -й КСС.
Информационный объём Ql2j4 представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии проектирования ї-й КСС и стадии эксплуатации у -й КСС.
Информационный объём Ql2{ представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии проектирования ї-й КСС и стадии восстановления у -й КСС.
Информационный объём Ql2j6 представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии проектирования ї-й КСС и стадии преобразования у -й КСС.
Информационный объём Ql2j7 представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии проектирования ї-й КСС и стадии вывода из эксплуатации и утилизации у -й КСС.
Информационный объём Ql3{ представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии создания ї-й КСС и планирования у -й КСС.
Информационный объём Ql3{ представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии создания ї-й КСС и проектирования у -й КСС.
Информационный объём Ql3{ представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии создания ї-й КСС и; -й КСС.
Информационный объём Ql3j4 представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии создания ї-й КСС и стадии эксплуатации у -й КСС.
Информационный объём Ql3{ представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии создания ї-й КСС и стадии восстановления у -й КСС.
Информационный объём Ql3j6 представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии создания ї-й КСС и стадии преобразования ; -й КСС.
Информационный объём Q%7 представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии создания ї-й КСС и стадии вывода из эксплуатации и утилизации j-й КСС.
Информационный объём Ql4{ представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии эксплуатации ї-й КСС и планирования у -й КСС.
Информационный объём QlJ2 представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии эксплуатации ї-й КСС и проектирования у -й КСС.
Информационный объём Q% представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии эксплуатации ї-й КСС и создания у -й КСС.
Информационный объём QlJ4 представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии эксплуатации ї-й КСС и j-й КСС.
Информационный объём Ql4{ представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии эксплуатации ї-й КСС и стадии восстановления у -й КСС.
Информационный объём QlJ6 представляет собой соотносящийся информационный объём, выделенный в ї-й КСС при совпадении стадии эксплуатации ї-й КСС и стадии преобразования у -й КСС.
Практика построения элементов киберфизической интеграции строительных систем
В целях иллюстрации с точки зрения практической реализации предложенных подходов, рассмотрим элементы процесса проектирования структуры данных условной КСС с простой траекторией жизненного цикла. Модель киберфизической интеграции рассматриваемой КСС, построенная в соответствии с методологией киберфизической интеграции строительных систем, приведена на Рисунок 6.3.
Зададим наличие следующих строительных систем в составе КСС:
система мониторинга состояния и управления конструкциями;
система выработки (добычи) воды;
система подготовки (очистки) воды;
система доставки воды (насосные станции);
система распределения воды (водопроводная сеть);
система сбора и очистки дождевой воды;
система оборотного водоснабжения;
система канализации;
система ливневой канализации;
система очистки стоков.
система производства (генерации) тепла;
система доставки тепла (теплоснабжения);
система производства холода;
система доставки холода;
система отопления;
система вентиляции;
система кондиционирования воздуха;
светопрозрачные конструкции;
система электроосвещения;
система дневного освещения с применением световодов;
система выработки (генерации) электроэнергии;
система трансформации электроэнергии;
система аккумулирования электроэнергии;
система распределения электроэнергии;
система хранения газа;
система подачи газа;
система распределения газа;
система телефонной связи;
система телеграфной связи;
система радиосвязи;
система телевизионной связи;
система спутниковой связи;
система компьютерной связи;
система факсимильной связи;
системы вертикального транспорта;
разгрузочно-погрузочные механизмы;
транспортные средства;
система сигнализации;
система контроля и управления доступом;
система охраны периметра;
системы пожаротушения;
системы пожарной сигнализации.
Перечень примеров возможных величин параметров состояния, управляющих воздействий и возмущающих воздействий приведен в Приложении А. Приведенный перечень не является исчерпывающим и удовлетворяющим определённым условиям, но даёт представление о возможных величинах для формирования вектора параметров строительных систем (5), вектора управляющих воздействий (U) и вектора возмущающих воздействий (W).
Таким образом, получим вектор параметров строительных систем (5), вектор управляющих воздействий (U) и вектор возмущающих воздействий (W):
Далее, для каждой строительной системы составляются уравнения, описывающие взаимодействие параметров строительных систем, возмущающих и управляющих воздействий. Постоянные величины полученных уравнений объединяются в коэффициенты матрицы параметров строительных систем (Л), матрицы управляющих воздействий (В) и матрицы возмущающих воздействий (С).
Далее осуществляется формирование вектора сигналов о параметрах строительных систем (X), вектора сигналов о возмущающих воздействиях (F) и вектора сигналов управления (F). Данные векторы строятся на основании функции зависимости координат вектора сигналов о параметрах строительных систем (X) от координат вектора параметров строительных систем (5) и от времени, функции зависимости координат вектора сигналов о возмущающих воздействиях (F) от координат вектора возмущающих воздействий (W) и от времени, а также функции зависимости координат вектора сигналов управления (?) от координат вектора управляющих воздействий (U) и от времени.
Функция зависимости координат вектора сигналов о параметрах строительных систем (X) от координат вектора пара метров строительных систем (5") и от времени и функция зависимости координат вектора сигналов о возмущающих воздействиях (F) от координат вектора возмущающих воздействий (W) и от времени определяются на основании данных о датчиках и параметрах преобразования измеряемых величин в сигнал. Функция зависимости координат вектора сигналов управления (?) от координат вектора управляющих воздействий (U) и от времени определяется на основании данных об исполнительных устройствах и параметрах преобразования сигнала управления в управляющее воздействие.
Также, определяются функции зависимости координат вектора целевых сигналов о параметрах строительных систем (Хи) от координат вектора целевых параметров строительных систем (Su). Функция зависимости координат вектора целевых сигналов о параметрах строительных систем (Хи) от координат вектора целевых параметров строительных систем (Su) и от времени определяется на основании данных об устройстве ввода информации.