Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Автоматизированные системы в строительной отрасли и проблема принятия решений 9
1.1. Автоматизированные системы в строительной отрасли 9
1.1.1. Системы автоматизации проецирования 9
1.1.2. Автоматизированные системы управления в строительстве 17
1.2. Системы принятия решений при организационно-технологической подготовке производства 26
1.2.1. О проблеме принятия решений при организационно-технологической подготовке производства в строительстве 26
1.2.2. Обзор существующих систем поддержки принятия решений 27
1.2.3. Математические средства принятия решений на уровне многокритериальной оптимизации 32
1.3. Выводы и постановка задачи 43
Глава 2. Математическая модель выбора альтернатив при принятии решений в строительной отрасли 45
2.1. Постановка задачи 45
2.2. Математическая модель принятия решения, использующая вероятностный подход к определению значений весовых коэффициентов 47
2.3. Использование доверительного интервала выбора 50
2.4. Применение обобщенной мультипликативно-аддитивной целевой функции 60
2.5. Задача проведения конкурсов (тендеров), как пример решения многокритериальной задачи оптимизации с выбором альтернатив при организационно-технологической подготовке строительного производства- 61
Глава 3. Автоматизированное проектирование и реализация систем, ориентированных на класс задач принятия решений в строительной отрасли 68
3.1. Основные принципы построения систем 68
3.2. Автоматизация проектирования 77
3.3. Алгоритм метода принятия решений 82
3.4. Реализация алгоритма с помощью автоматизированных средств проектирования информационных систем 89
Основные результаты и выводы 93
Библиографический список использованных источников
- Автоматизированные системы в строительной отрасли
- Системы принятия решений при организационно-технологической подготовке производства
- Математическая модель принятия решения, использующая вероятностный подход к определению значений весовых коэффициентов
- Основные принципы построения систем
Введение к работе
Строительная отрасль занимает одно из ведущих мест в индустрии нашей страны. Постоянное ее развитие требует новых технических решений. Совершенствуются строительные материалы и конструкции, повышается индустриальность возведения зданий и сооружений. Возникают новые технологические процессы строительного производства, для которых создаются новые материалы, высокопроизводительные механизмы и машины.
Строительство характеризуется разнообразием строительной продукции и условий ее создания, разнообразием организационных форм строительного процесса, организационных структур строительных организаций, экономических и финансовых условий их деятельности, методов планирования и управления строительством, взаимосвязями со всеми отраслями народного хозяйства. Строительная отрасль по количеству взаимосвязанных организаций и потребляемых ресурсов, по специфическим отраслевым, территориальным и программно-целевым особенностям представляет собой не обычную отрасль, а собирательный комплекс отраслей.
Все это обуславливает наличие большого спектра решаемых на всех этапах строительного производства задач.
С возвращением нашей страны после более чем десятилетнего перерыва в нормальное экономическое русло, задачи, которые недавно удавалось решать вливанием неограниченных финансовых средств, снова требуют использования научного потенциала строительной отрасли- В настоящее время уже нет возможности безоглядно тратить финансы, и их экономии каждый руководитель уделяет первостепенное внимание- Данный вопрос удается реализовывать, лишь получая положительный эффект от принимаемых решений.
Поэтому одним из факторов, влияющих на повышение эффективности строительного производства, является привлечение современных научно-обоснованных методов и автоматизированных средств принятия решений.
Актуальность работы
Одной из важных составляющих автоматизации проектирования организационно-технологической подготовки строительного производства является постоянная необходимость принятия неформальных решений, т.е. выбора некоторой альтернативы из нескольких возможных вариантов. При этом лицу или лицам, принимающим решение, приходится опираться или на накопленный в строительной отрасли производственный опыт (эвристический подход), или формализовать процесс выбора, сводя проблему за счет некоторых упрощений к решению задачи оптимизации (в общем случае - многокритериальной). Однако указанные подходы к решению проблемы выбора имеют существенные недостатки. Действительно, эвристический подход, реализация которого на ЭВМ сводится к проблеме построения систем искусственного интеллекта, на современном уровне не может охватить всего разнообразия возникающих при проектировании ситуаций (из-за недостаточности накопленного опыта, сложности идентификации ситуации и ограниченности ресурсов вычислительной техники). С другой стороны, использование метода оптимизации связано:
с применением не всегда оправданных искусственных допущений для скрытия возникающих неопределенностей,
со сложностью применяемого математического аппарата, что требует от инженеров математической подготовки высокого уровня.
Вместе с тем очевидно, что правильный или неправильный выбор альтернативы, который постоянно приходится делать при проектировании, будет оказывать в той или иной степени влияние на весь процесс реализации проекта. Указанные обстоятельства и подтверждают акту-
альность разработки систем поддержки принятия решений при автоматизации организационно-технологической подготовки строительного производства.
Цель и задачи исследования
Целью настоящей работы является разработка методологических основ создания высокоэффективных автоматизированных систем поддержки принятия решений при автоматизации проектирования организационно-технологической подготовки строительного производства. В соответствии с целью диссертации поставлены следующие задачи:
выполнить анализ современного состояния вопроса, касающегося систем поддержки принятия решений при автоматизации проектирования организационно-технологической подготовки строительного производства;
разработать методы выбора лучшей альтернативы, сочетающие в себе универсальность подхода к решению широкого класса задач организационно-технологической подготовки производства с большей степенью достоверности и определенности по сравнению с другими известными методами выбора альтернатив;
построить алгоритм реализации предложенных методов выбора;
разработать общие принципы автоматизированного проектирования систем поддержки принятия решений рассматриваемого класса;
создать и апробировать компьютерную программу, автоматизирующую процесс принятия решений при проектировании организационно-технологической подготовки производства в строительстве.
Объект исследования
Объектом исследования являются математические средства и автоматизированные системы поддержки принятия решений, использующиеся в задачах организационно-технологической подготовки строительного производства.
7 Теоретическая и методологическая база исследования
Задачи многокритериальной оптимизации, системный анализ, информационные технологии, теория автоматизированного проектирования информационных систем.
Научная новизна
Разработан метод выбора оптимальной альтернативы, использующий вероятностный подход в многокритериальной оптимизации.
Введена в практику построения автоматизированных систем принятия решений единая мультипликативно-аддитивная целевая функция, объединяющая обобщенный критерий с системой ограничений выбора.
Определены основные требования к автоматизированным системам поддержки принятия решений в строительстве.
Разработан алгоритм и методика автоматизированного проектирования информационной системы, реализующей вероятностный подход в многокритериальной оптимизации.
На защиту выносятся
Математическая модель поддержки принятия решений, основанная на многокритериальной оптимизации при вероятностном подходе к выбору весовых коэффициентов аддитивной свертки критериев.
Алгоритм реализации модели поддержки принятия решений, содержащий специальную логическую структуру раскрытия неопределенностей выбора альтернатив.
Методика автоматизированного проектирования компьютерных систем выбора альтернатив.
Тестовая версия компьютерной системы поддержки принятия решений в строительстве, реализующая разработанный алгоритм.
Практическая значимость
Практическая значимость диссертационного исследования состоит в том, что разработанные методы позволят с большей достоверностью и обоснованностью принимать решения при организационно-технологи-
8 ческой подготовке строительного производства. Результаты исследований реализованы в компьютерной программе, названной системой поддержки принятия решений в строительстве (СППРС), которая использовалась в деятельности муниципального учреждения "Главное управление капитального строительства города Нижнего Новгорода" (МУ ГУКС) и предприятия ОАО "Центрэнергострой" филиал "Сормовотэц-строй".
Апробация результатов исследования
Основные результаты и положения исследований представлялись на международных конференциях: "Информационная среда вуза11 (Иваново, 2001, 2002 г.г.), "Передовые технологии в промышленности и строительстве на пороге XXI века" (Белгород, 1998г.), на Всероссийской конференции по компьютерной геометрии и графике (Нижний Новгород, 1997 г.), на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов "Архитектура и строительство-2000" (Нижний Новгород, 2000 г,).
Результаты выполненных исследований использовались в учебном процессе при чтении лекций и проведении практических занятий в Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете по курсу "Автоматизированное рабочее место специалиста" для студентов 5-го курса специальности " Экономика и управление на предприятии строительства ".
Публикации по теме диссертации
По теме диссертации опубликовано 12 работ общим объемом 2,24 печатных листа.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и приложения, общим объемом 109 страниц, включает 14 таблиц, 16 рисунков. Библиографический список содержит 137 наименований.
Автоматизированные системы в строительной отрасли
В области САПР [1-5] работало и продолжает работу большое количество ученых. В их числе: Грувер М., Зиммерс Э. [38], Драгуняви-чус Г. [47], Курейчик В.М. [66, 115], Григорьев Э.П. [67], Митрофанов В.Г. [81], Малышев Н.Г. [86], Петракова [91], Петров А.В. [92], Потапов В.И. [97], Проскурова Т.П. [102], Сайдиев У.Х. [108], Корячко В.П., Норенков И.П. [115], Чичварин Н.В. [122], Энгельке У.Д. [124] и многие другие.
Термин САПР является смысловым эквивалентом английского CAD (сокращенное английское Computer Aided Design) и означает компьютерное проектирование. САПР как система включает в себя технические средства, системное и прикладное программное обеспечение, а также самого проектировщика. Анализ современного уровня применения САПР в строительстве показывает, что в прикладном программном обеспечении преобладают средства изготовления архитектурно-строительных чертежей, а также некоторых видов инженерных и экономических расчетов.
Гибкость САПР с точки зрения расширения возможностей ее использования может быть увеличена, если программное обеспечение САПР является универсальным и открытым. Примером такой универсальной открытой среды проектирования для реализации графических возможностей САПР является система AutoCAD — универсальная графическая система, в основу структуры которой положен принцип открытой архитектуры, позволяющий адаптировать и развивать многие функции AutoCAD применительно к конкретным задачам и требованиям.
Можно выделить несколько направлений применения САПР в строительстве: архитектурное проектирование и дизайн, геодезические изыскания и составление генпланов, расчет конструкций, расчет инженерных коммуникаций, экология, организация и технология, комплексное проектирование и т.д.
Архитектурное проектирование и дизайн
Здесь следует отметить большое разнообразие и значительную функциональность программных комплексов. Среди профессиональных программных продуктов широкое применение получили: Компас-график, АРКО (отечественные разработки), AutoCAD, ArchiCAD (зарубежные разработки).
В архитектурном проектировании и дизайнерских разработках используется также много различных специальных систем трехмерного моделирования (3D Studio, 3D Home Architect, Visual Architecture-3-D и т.п.) и мощные графические редакторы (Photoshop, CorelDRAW и другие им подобные).
Современной чисто архитектурной программой является совместная российско-голландская разработка АгСоп. Геодезические изыскания и составление генпланов
Здесь, как и в предыдущем разделе, также следует отметить высокий уровень программных продуктов и широкий охват проблем. Для решения задач этого направления применяются различные системы:
RGS - пакет программ для решения всех видов геодезических задач, который рассчитан на специалистов, работающих в области геодезии и стремящихся автоматизировать и существенно упростить трудоемкий процесс расчетов полевых измерений;
ПЛАНИКАД - программный комплекс, который предназначен для проектирования генеральных планов и вертикальной планировки объектов промышленного назначения, городской застройки, специальных объектов, а также для проектирования внутрикварталь-ных автомобильных дорог в среде пакета AutoCAD;
ТОПОКАД - система, предназначенная для создания в среде пакета AutoCAD крупномасштабных (Ml:500 - Ml:5000) топографических планов в стандартных условных знаках;
CAD Relief -система, также осуществляющая построения в графической среде AutoCAD трехмерной модели рельефа или произвольной статистической поверхности на основе массива нерегулярно расположенных исходных точек, взятых из полевых журналов или полученных методом дигитализации топографических планов и карт;
CREDO программный комплекс для обработки изысканий, проектирования генпланов и транспортных объектов, хорошо зарекомендовавший себя и поэтому широко используемый на производстве.
Системы принятия решений при организационно-технологической подготовке производства
Под организационно-технологической подготовкой строительного производства понимается подготовка организационных, технологических, экономических и других процессов, направленных на достижение конечной цели строительного производства.
В комплекс задач, требующих принятия решений, входят, например, следующие: - редактирование и корректировка сметной документации; - расчет потребности и комплектация материальных ресурсов; - подбор комплектов строительных машин, механизмов, оснастки, приспособлений для подъема и монтажа конструкций; - формирование, расчет и оптимизация организационно-технологической модели строительства объектов; - календарное планирование и др.
Каждая из перечисленных задач сопряжена с необходимостью принятия решений. Укажем здесь следующие общие особенности решений при проектировании организационно-технологической подготовки производства в строительстве:
1) результатом выполнения проекта является единственный дорогостоящий объект, а не серия однотипной продукции фабрики или завода. Это обстоятельство значительно поднимает меру ответственности ЛПР за выбор неоптимального решения и поэтому оправдывает разработку специальных средств поддержки принятия решений;
2) лицу, принимающему решения в процессе проектирования подготовки производства необходимо строго руководствоваться Строительными Нормами и Правилами (СНиП), т.е. системой условий, детерминировано определяющих варианты возможных решений. Тем самым задача принятия решения может быть сведена к выбору альтернатив, с каждой из которых в процессе проектирования может быть сопоставлена некоторая совокупность показателей - критериев выбора; 3} в связи с тем, что процесс строительства связан с необходимостью решения многочисленных инженерно-технических» технологических, экономических и социальных проблем, то совокупность критериев выбора альтернатив имеет, как правило, существенно разнородные показатели; 4) проектированием организационно-технологической подготовки производства в строительстве занимаются, как правило, инженеры, не имеющие высокого уровня математической подготовки. Поэтому, автоматизированная система поддержки принятия решений должна иметь достаточно простой и понятный для инженера интерфейс. Сложность и трудоемкость перечисленных задач требуют применения при их решении современных средств автоматизации, в частности, автоматизированных систем поддержки принятия решений.
Системы поддержки принятия решений появились усилиями, в основном, американских ученых в 1970-х - начале 1980-х годов, чему в значительной степени способствовало широкое распространение персональных компьютеров и стандартных пакетов прикладных программ.
В некоторых публикациях, в последнее время, к СППР относят любые программные средства, применяемые в процессе подготовки и принятия решений. Например информационно-поисковые и аналитиче ские системы, основанные на методах статистики и оптимизации, OLAP (On-Line Analytical Processing - обработка данных в реальном времени) и Data Mining, математического моделирования и логического вывода в базах знаний, финансово-бухгалтерской оценки предприятий и проектов и даже адресные и правовые информационно-поисковые системы.
В данной работе под СППР будем понимать только те системы, которые автоматизируют два последних этапа известного алгоритма принятия решений (рис, 1). 1. Изучение проблемы, сбор данных 2. Разработка альтернатив решения проблемы 3. Выделение критериев оценки 4. Оценка альтернатив 5. Выбор решения Рис. L Этапы принятия решения
Заметим, что СППР используются для решения в режиме диалога слабоструктурированных задач, для которых характерна неполнота входных данных, неполная ясность целей и ограничений. В этом случае требуется участие человека в работе системы, т_к_ он, в случае необходимости, должен вмешиваться в ход решения, модифицировать входные данные, процедуры обработки, цели и ограничения задачи. Известны СППР, обеспечивающие работу одного или нескольких ЛПР (групповые СППР). К настоящему времени создано большое количество СППР. Наиболее полные обзоры таких систем, созданных в 1970-х - 1980-х годах приведены в работах [18, 128]. В частности, среди СППР можно отметить следующие:
ДИСО/ПК-МКНЛП (Евтушенко Ю. Г., ВЦ РАН) - диалоговая система, позволяющая строить одну из эффективных точек многокритериальной задачи оптимизации путем решения задачи нелинейного программирования с заданным обобщенным критерием;
ВЕКТОР (Растригин Л. Ам Рижский политехнический институт) - система, ориентированная на проектирование сложных систем в многокритериальной постановке с помощью схем скалярной свертки и векторно-релаксационных алгоритмов поиска;
ВЫБОР (Виноградская Т, М.) - система, позволяющая выделять недоминируемые альтернативы с помощью свертки;
DISMOP (Михалевич В. C.s Волкович В. Л,, Институт кибернетики АН Украины) - система для решения многокритериальных задач с помощью метода ограничений и человеко-машинных процедур;
MUPCAP - система, реализующая методологию теории полезности для принятия решений по многим критериям в условиях риска и неопределенности;
CRITERTUM - система для решения многокритериальных задач путем построения и анализа дерева целей;
EXPERT CHOICE - система, предназначенная для решения многокритериальных задач с помощью анализа предпочтительности критериев.
Математическая модель принятия решения, использующая вероятностный подход к определению значений весовых коэффициентов
Предположим, что имеется xi, X2,. t xir.„, хп альтернатив, причем каждая из них характеризуется совокупностью q/, q%9 ..., q/9 ..., qj числовых оценок критериев zft z2i ..., Zjy ..,, zs в соответствии с выбранной нами шкалой. Для определенности будем считать, что альтернатива добудет оптимальной по критерию zj9 если q/= max {q/, q/, ..., /} Очевидно, что в общем случае любая альтернатива хіш может не иметь предпочтение над какой-либо альтернативой xitt одновременно по всем критериям оптимальности. Поэтому, поставленная задача не всегда будет иметь однозначное решение. Исходя из этого, предлагается вероятностный подход к определению значений весовых коэффициентов, позволяющий повысить уровень достоверности при выборе альтернативы.
Будем искать решение задачи путем введения свертки критериев. Для этого, прежде всего, приведем частные критерии оптимальности к одинаковой шкале измерения безразмерного типа [g, /і], причем О g /2, где g и h - некоторые задаваемые нами числа. При этом, частные критерии можно получить с помощью линейного преобразования, сохраняющего отношения предпочтения на множестве численных оценок Qj=—-— (g-b)+g9 ?у(шах) " І(ШШ) где ,=шп , в =тк , Ї - номер альтернативы, j - номер критерия. Для упорядочивания альтернатив будем здесь использовать линейную аддитивную свертку критериев: УІ=№\+ад +...+ = ±щ, (6) где Л/ - некоторые весовые коэффициенты, учитывающие влияние на величину , обобщенного критерия фактораZj.
Очевидно, что далеко не всегда величины Xj могут быть однозначно заданы, т.к. с помощью весовых коэффициентов обычно приводят к одному критерию качественно разнородные факторы.
Для более объективного задания величины весовых коэффициентов предлагается [109] вводить вместо каждого Xj некоторое конечное множество значений где Xj - IJ-VL вариант коэффициента Л,, lj - некоторое значение индексау-го весового коэффициента Xj из множества {1,2, ..., Lj} {)=1,2,...,3% Lj - количество вариантов весовых коэффициентов дляу-го критерия, и соответствующие им числовые оценки предпочтений
Заметим, что такую оценку предпочтений при проектировании организационно-технологической подготовки строительного производства могут выполнить один или несколько экспертов из числа опытных сотрудников организации. Причем вводимая здесь форма дополнительной информации будет проста и понятна для широкого круга специалистов, вовлекаемых в процесс принятия решений при организационно-технологической подготовке строительного производства. Если нормировать величины предпочтений
Следовательно, величины pj можно рассматривать как составляющие некоторого дискретного распределения вероятности значений весовых коэффициентов лЛ.
Такой подход приводит к М = Lj L2 .» - Ls вариантам значений {уи У2 --, у»} при различном сочетании весовых коэффициентов из заданных множеств: iw J&J .(#. ) Є} в соответствии с правилом вычисления вероятности одновременного наступления любого числа взаимно независимых событий, величине yfjb h -, h) должна быть сопоставлена вероятность где pj - вероятность IJQ варианта значения весового коэффициента л .
Таким образом, для каждой из п альтернатив мы получим М вариантов значений обобщенных критериев ,-(//, /?, -, h) с вероятностями Л (Л h h) Можно доказать, что наибольшая вероятность будет у варианта, имеющего в качестве Я 9Я 9,..,Я весовые коэффициенты с максимальными значениями вероятностей из своих распределений вероятностей.
Однако, во-первых, возможен случай неопределенности при нескольких максимальных вероятностях и, во-вторых, максимальная вероятность может быть слабо выражена, и поэтому для выбора лучшей альтернативы следует принимать во внимание некоторые дополнительные факторы.
Как отмечалось выше, традиционно при решении задачи выбора альтернативы задается единственный набор весовых коэффициентов Я Х2ъ ... Aj, что мы можем рассматривать как решение, имеющее максимальное значение вероятности. При этом, может оказаться, что значения обобщенного критерия оптимальности для нескольких (в частности двух) альтернатив окажутся равными, т.е. уа = у$ , где а Д В этом случае возникает неопределенность, не разрешаемая традиционным ме тодом. Используя вероятностный подход, можно объективно раскрыть указанный вид неопределенности, вводя некоторый интервал I, условно названный доверительным: где Ртал - максимальная величина вероятности среди полученных значений Л(//, h ...»/ ) Для простоты рассуждений рассмотрим первоначально задачу выбора одной из двух альтернатив и предположим, что в интервал / попала, и причем только одна, точка Р0 из всех РД7; h . is)9 вычисленных при решении задачи. Пусть уа и ур- значения yi(Ij, h h) в точке Р0 для альтернатив ха и х$ соответственно.
Основные принципы построения систем
При автоматизации проектирования систем, обеспечивающих решение задач в строительной отрасли, представляется целесообразным использовать такие математические методы и алгоритмы, которые наиболее полно отразят ее специфические особенности. При этом следует стремиться соединить опыт и трудноформализуемые знания ЛПР, хорошо владеющего производственной и хозяйственной стороной строительной отрасли, с производительностью и многовариантностью машинно-математических методов.
К особенностям строительства, отличающим его от других отраслей промышленности, можно отнести специфический характер:
готовой продукции (индивидуальность этой продукции» отсутствие взаимозаменяемости, высокая степень разнообразия),
технологии и организации производства (большая продолжительность производственного цикла, многовариантность и индивидуальность технологий, рассредоточенность и смена расположения производственной базы и поставщиков, влияние на технологию природно-климатических факторов и времени года, территориальное и временное совмещение труда участников производственного процесса, дискретность производственного процесса, подвижность (или неподвижность) средств труда и исполнителей),
экономических отношений (производство продукции по индивидуальному заказу, индивидуальное формирование цены, использование сметных расчетов при формировании цены, сложная система подрядных и субподрядных связей, особенности реализации продукции),
условий управления (разнообразие структур управления строительным производством, сложность и многовариантность хозяйственных и административных связей, территориальная разобщенность и децентрализация управления, отсутствие единой методологии формирования научных систем управления производством).
При решении задач многокритериальной оптимизации при организационно-технологической подготовке в строительной отрасли возникают различные проблемы, обусловленные как указанной выше спецификой, так и общими проблемами, связанными со сложностью решения многокритериальных задач. Поэтому, многокритериальная оптимизация в строительной отрасли наиболее остро нуждается в системах поддержки принятия решений в строительстве (СППРС),
Требования, которым должна отвечать СППРС, можно разделить на общие и специальные. L Общие требования. 1) Интегрируемость,
В каждой строительной организации в настоящее время используется различное программное обеспечение (см. Главу 1), с которым проектируемая СППРС должна обеспечивать совместную работу, т.е. быть интегрируемой. В частности, должны выполняться следующие требования. Однократный ввод данных. Исходные данные, если они являются достаточными, должны передаваться в СППРС из других систем электронным путем, а не вводиться вручную. Возможность работы на различных программных платформах.
Это требование можно обеспечить, используя для проектирования соответствующие средства разработки, например программное средство (ПС) PowerBuilder от компании Sybase (www-sybase.ru). Программа, созданная в этом средстве быстрой разработки приложений (RAD - Rapid Application Development), может быть откомпилирована и работать в различных операционных системах (Apple Macintosh, все варианты Windows, различные платформы Unix).
Наличие развитых технологических средств интеграции с другими прикладными системами и базами данных. Обмен данными с дру гими системами, с учетом предыдущего пункта требований, реко мендуется осуществлять через текстовые файлы специальной структуры. Взаимодействие с базами данных можно осуществлять либо по технологии ODBC, либо непосредственно через интер фейс базы данных. Эта возможность также осуществляется с по мощью PowerBuilder, обладающего мощными инструментами ра боты с базами данных (Informix, Microsoft SQL Server, Oracle, Sy base и др.) 2) Масштабируемость, Данное требование является ключевым с точки зрения экономии финансовых вложений. Вьшолнение его гарантирует, что не придется перестраивать систему по мере роста объема обрабатываемой информации и количества одновременно работающих пользователей.
