Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ практики управления строительным объектом 18
1.1. Анализ возмущений, инициирующих процессы управления строительным объектом 18
1.2. Управление строительным объектом 34
1.2.1. Адаптивное и оперативное управление 34
1.2.2. Функциональное управление 35
1.3. Анализ методов аналитической и информационной поддержки процессов управления строительным объектом 38
1.4. Выводы по главе 1 43
Глава 2. Функциональные системы управления зданиями и сооружениями (гомеостат строительных объектов) 45
2.1. Перспективы функциональных систем управления зданиями и сооружениями 45
2.2. Гомеостат строительных объектов 47
2.3. Теория проектирования функциональных систем гомеостатического управления 51
2.3.1. Принципы 51
2.3.2. Структура и состав 54
2.3.3. Анализ и моделирование объектов и процессов 56
2.3.4. Информационное окружение 57
2.4. Выводы по главе 2 58
Глава 3. Методология гомеостатического проектирования зданий и сооружений 60
3.1. Гомеостатическое проектирование 60
3.2. Моделирование ситуаций и анализ проекта 62
3.3. Информационное обеспечение процессов и результатов гомеостатического проектирования 78
3.4. Использование систем и технологий автоматизации проектирования 82
3.4.1. Технологии Computer Aided Design (CAD) 82
3.4.2. Технологии Computer Aided Manufacturing/Management (CAM) 82
3.4.3. Технологии Computer Aided Engineering (CAE) 83
3.4.4. Технологии Product Data Management (PDM) 84
3.5. Технологии Continuous Acquisition and Life Cycle Support (CALS) .84
3.6. Выводы по главе 3 94
Глава 4. Гомеостатическое управление строительным объектом. функциональные системы 96
4.1. Гомеостатическое управление 96
4.1.1. Ситуационное моделирование 98
4.1.2. Стратегии и сценарии управления 103
4.2. Функциональные системы гомеостатического управления зданиями и сооружениями 106
4.2.1. Основы. Системная интеграция 107
4.2.2. Уникальные компоненты систем 109
4.3. Гомеостатический мониторинг строительного объекта 112
4.4. Модель функциональной системы гомеостатического управления строительным объектом 126
4.5. Выводы по главе 4 134
Глава 5. Информационные основы функциональных систем гомеостатического управления зданиями и сооружениями 137
5.1. Функциональные системы гомеостатического управления на основе открытых информационных систем 137
5.2. Проектирование информационных потоков в составе функциональных систем гомеостатического управления 138
5.2.1. Концепция объектно-ориентированных приложений 138
5.2.2. Технологии Object Linking and Embedding (OLE) 140
5.3. Парадигма интероперабельности информационных компонент функциональных систем гомеостатического управления 141
5.3.1. Архитектура Common Object Request Broker Architecture (CORBA) 151
5.3.2. Архитектура Enterprise JavaBeans (EJB) 153
5.4. Анализ данных в функциональных системах гомеостатического управления 155
5.4.1. Интерактивная аналитическая обработка данных 155
5.4.2. Технологии On-Line Analytical Processing (OLAP) 155
5.5. Интерфейсы информационной афферентации 164
5.5.1. Оперативная обработка транзакций в режиме реального времени 164
5.5.2. Технологии On-Line Transaction Processing (OLTP) 164
5.6. Интеграция информационных компонент функциональных систем гомеостатического управления в структуры глобального коммуникационного пространства 173
5.6.1. Web-технологии. Специализированные формализованные языки 174
5.6.2. Документирование и публикация средствами Extensible Markup Language (XML) 175
5.7. Выводы по главе 5 177
Глава 6. Практика проектирования функциональных систем гомеостатического управления зданиями и сооружениями 179
6.1. Анализ программного обеспечения процессов строительного проектирования, производства и управления 179
6.2. Совместимость оригинального программного обеспечения 181
6.2.1. Уровень протоколов обмена данными 181
6.2.2. Уровень операционных платформ 182
6.2.3. Уровень аппаратных платформ 186
6.3. Анализ средств разработки оригинального программного обеспечения функциональных систем гомеостатического управления 187
6.3.1. Автоматизация разработки элементов программного обеспечения 187
6.3.2. Технологии Computer Aided Software Engineering (CASE) 196
6.4. Проектирование распределенных систем на уровне составных сетей 224
6.5. Информационные системы в открытых сетях 226
6.6. Выводы по главе 6 227
Основные выводы и предложения 229
Библиографический список 236
Информационные ресурсы Web 268
Опубликованные работы автора 275
Приложения 286
- Анализ возмущений, инициирующих процессы управления строительным объектом
- Моделирование ситуаций и анализ проекта
- Парадигма интероперабельности информационных компонент функциональных систем гомеостатического управления
- Технологии Computer Aided Software Engineering (CASE)
Введение к работе
Прогресс в области современных технологий строительного производства, а также объективная необходимость, обусловленная целым рядом техногенных и социальных причин, определяют актуальность решения комплекса научно-методологических и инженерно-технических задач, ориентированных обеспечение безопасной и эффективной эксплуатации строительных объектов.
Анализ отчетов и результатов деятельности Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС России), Всероссийского научно-исследовательского института по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций (ВНИИ ГОЧС), Института инженерной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета (МГСУ), Открытого акционерного общества "Информационные технологии, телекоммуникации, связь, управление информацией в строительстве" Комплекса архитектуры, строительства, развития и реконструкции города Правительства Москвы (ОАО "ИНТУС"), работ отечественных и зарубежных ученых показывает, что именно строительные объекты представляют наибольшую потенциальную опасность в момент возможных нештатных ситуаций, а во многих случаях - являются их эпицентром. Согласно данным МЧС России, общий материальный ущерб, причиненный государству чрезвычайными ситуациями только в 2001 году, составил свыше 70 млрд. рублей.
Комплекс современных научных знаний, теория функциональных систем и системотехника строительства, а также значительный прогресс в области создания и использования новых информационных и телекоммуникационных технологий в строительстве дают возможность -выдвинуть и обосновать научно-техническую гипотезу о возможности расширения концепции функциональных систем управления на область строительства и эксплуатации зданий и сооружений, что способно качественно изменить традиционный подход к обеспечению безопасности и решению многих актуальных задач строительного производства в аспекте представления современных зданий и сооружений как управляемых технических систем.
Системный анализ существующей практики строительного производства позволяет говорить о научной новизне предлагаемой гипотезы, поскольку в настоящее время, в силу ряда объективных причин, не существует адекватной методологии, моделей и средств, позволяющих распространить концепцию функциональных систем управления на область строительства и эксплуатации зданий и сооружений.
Анализ теоретических основ, составляющих упомянутую концепцию, выявил очевидную ориентацию проблем, возникающих при реальном проектировании функциональных систем управления зданиями и сооружениями, на плоскость комплекса аналитического и информационного окружения процессов строительного проектирования, производства и управления.
В свете сказанного, научная проблема, решаемая в диссертации, представляется актуальной и значимой.
Следует особо отметить, что в диссертации изложены теоретические основания комплексной методологической концепции решения обозначенной научной проблемы на основе системного анализа современных научных парадигм, созерцания и осмысления различных явлений живой природы, в том числе - принципов и особенностей функционирования живых организмов, что предопределило возможность качественно нового подхода к генерации и оценке инженерных решений в области архитектурно-строительного проектирования, производства и управления, практическая реализация которых - дело недалекого будущего.
Научно-техническая гипотеза представленной диссертации предполагает возможность расширения научно-фундаментальной концепции функциональных систем управления на область строительства и эксплуатации зданий и сооружений.
Целью работы является разработка методологии проектирования функциональных систем управления зданиями и сооружениями.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие основные задачи:
? анализ и классификация возмущений, инициирующих процессы управления строительным объектом, методов организации аналитической и информационной поддержки процессов адаптивного и оперативного управления зданиями и сооружениями;
? анализ концепции, исследование перспективных направлений развития и возможностей функциональных систем управления зданиями и сооружениями;
? разработка структур и состава аналитического и информационного окружения функциональных систем управления зданиями и сооружениями;
? создание методологии проектирования зданий и сооружений в соответствие с принципами функционального управления;
? разработка методики моделирования ситуаций и анализа проекта;
? создание методологии проектирования функциональных систем управления зданиями и сооружениями;
? исследование основ и уникальных компонент функциональных систем управления зданиями и сооружениями;
? разработка концепции мониторинга объектов и процессов в составе функциональных систем управления зданиями и сооружениями;
? разработка информационных основ функциональных систем управления зданиями и сооружениями;
разработка принципов интеграции информационных компонент
функциональных систем управления зданиями и сооружениями в структуры глобального коммуникационного пространства;
? анализ практики проектирования функциональных систем управления зданиями и сооружениями, исследование проблем информационной совместимости, сетевой интеграции и автоматизации разработки оригинального программного обеспечения;
? экспериментальная проверка результатов исследования;
? определение перспективных направлений дальнейших исследований в рамках рассматриваемой предметной области.
Объектом исследования является здание (сооружение) как управляемая система.
Предмет исследования: проектирование функциональных систем управления зданиями и сооружениями.
В основу методологии диссертационного исследования положены системный анализ, теория функциональных систем, системотехника строительства, теория принятия решений, математическое, имитационное и инфографическое моделирование, тематические работы отечественных и зарубежных ученых, теоретические и прикладные исследования в области создания информационно-аналитического обеспечения строительного проектирования, производства и управления.
Научная новизна исследования состоит в следующем:
? предложена концепция функциональных систем управления зданиями и сооружениями;
? создана методология проектирования зданий и сооружений в соответствие с принципами функционального управления;
? разработана методика моделирования ситуаций и анализа проекта;
? создана методология проектирования функциональных систем управления зданиями и сооружениями;
? разработана концепция мониторинга объектов и процессов в составе функциональных систем управления зданиями и сооружениями;
? предложена модель функциональной системы управления строительным объектом, разработаны информационные основы проектирования систем в рамках и на основе такой модели;
? сформулированы принципы интеграции информационных компонент функциональных систем управления зданиями и сооружениями в структуры глобального коммуникационного пространства.
Практическая значимость диссертации заключается в разработке моделей, информационных, аналитических, технических, технологических и иных решений, алгоритмов и компонентов программного обеспечения функциональных систем управления зданиями и сооружениями. Полученные результаты предложены в качестве основы проектирования реального информационного, аналитического и технического обеспечения процессов строительного проектирования, производства и управления, направленных на практическую реализацию предлагаемой концепции, разработки, научно-методологического и инженерно-технического обоснования рекомендаций в области совершенствования существующих схем организации информационного обеспечения строительства, действующих Государственных стандартов и Строительных норм и правил в области безопасности строительства и эксплуатации зданий и сооружений.
Внедрение результатов. Результаты исследования (методология, модели, информационные, аналитические, технические, технологические и иные решения, алгоритмы и компоненты программного обеспечения) использованы в следующих организациях:
? Институт инженерной безопасности в строительстве;
? ОАО "ИНТУС" - "Информационные технологии, телекоммуникации, связь, управление информацией в строительстве" Комплекса архитектуры, строительства, развития и реконструкции города Правительства Москвы;
? Центральный научно-исследовательский и проектно-экспериментальный институт организации, механизации и технической помощи строительству (ЦНИИОМТП);
? Инженерная фирма "ГИПРОКОН".
Отдельные теоретические разделы и практические результаты исследования:
? положены в основу лекционных курсов "Системотехника строительства", "Современные информационные технологии в строительстве" и "Информационное обеспечение процессов строительного проектирования и производства", читаемых автором на кафедрах САПР в строительстве и системного анализа в строительстве Московского государственного строительного университета (МГСУ);
? включены в программу международного сотрудничества МГСУ (кафедра информационных систем и технологий управления строительством) и Строительного университета г.Веймара, ФРГ (кафедра информатики в строительстве (Bauhaus-Universitat Weimar, Professur Informatik im Bauwesen)) по теме "Новые информационные и коммуникационные технологии как инструментальные средства практики строительного проектирования и управления" (Neue Informations- und Kommunikationstechnologien als Hilfsmittel fur die Bauplanungpraxis und Verwaltung);
? явились теоретической основой научного направления, открытого в Международном центре строительной информатики (International Centre of Construction Informatics) при МГСУ и Техническом университете Берлина, ФРГ (Technische Universitat Berlin).
Теоретические и практические результаты исследования ориентированы также на разработку и оптимизацию структур и состава широкого спектра информационного и аналитического обеспечения процессов строительного проектирования, производства и управления.
Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими документами (см. Приложение №7).
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования многократно докладывались и получили одобрение российских и зарубежных ученых и специалистов на всероссийских и международных конференциях, симпозиумах, форумах, коллоквиумах и семинарах, основные из которых следующие: Международный семинар "Моделирование в области гражданского строительства" в Строительном университете г.Веймара, ФРГ, Веймар, 1997г. (ERASMUS Seminar (ICP-1043/06) Product Modeling in Civil Engineering, Bauhaus-Universitat Weimar, Weimar, Bundesrepublik Deutschland); 10 Форум "Исследования молодых ученых в области информатики в строительстве" в Строительном университете г.Веймара, ФРГ, Веймар, 1998г. (10. Forum Bauinformatik Junge Wissenschaftler forschen, Bauhaus-Universitat Weimar, Weimar, Bundesrepublik Deutschland); I Всероссийский Форум по проблемам жилищно-коммунального хозяйства, Москва, 2000г.; Международный Коллоквиум об информационных и математических приложениях в архитектуре и строительстве (ІКМ 2000), Строительный университет г.Веймара, ФРГ, Веймар, 2000г. (Internationales Kolloquium iiber Anwendungen der Informatik und der Mathematik in Architektur und Bauwesen (IKM 2000), Bauhaus-Universitat Weimar, Weimar, Bundesrepublik Deutschland); Научно-техническая конференция "Программа строительства сельского жилья "Славянские корни": современные экологические и ландшафтные требования к архитектуре и строительству", Орловский государственный строительный университет, Орел, 2000г.; IX, X и XI Российско-польский семинар "Теоретические основы строительства", МГСУ, Москва, 2001г., Польша, Варшава, 2000, 2002гг. (Polsko-Rosyjskie Seminarium "Teoretyczne podstawy budownictwa", Rzeczpospolita Polska, Warszawa); Городская научно-практическая конференция "Современные технологии в строительстве. Образование, наука, практика", Москва, 2001г.; I и II Международная научно-практическая конференция "Моделирование. Теория, методы и средства", Новочеркасск, 2001, 2002гг.; I и II Международная научно-практическая конференция "Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений", Новочеркасск, 2001, 2002гг.; II международная научно-практическая конференция "Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах", Новочеркасск, 2001г.; Международная научно- практическая конференция "Строительство в XXI веке. Проблемы и перспективы", МГСУ, Москва, 2001г.; Межвузовская научно-техническая конференция "Управляющие и вычислительные системы. Новые технологии", ВоГТУ, Вологда, 2001г.; 59-я региональная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика", СамГАСА, Самара, 2002г.; VI международная экологическая конференция студентов и молодых ученых "РИО+10 Экологическая безопасность как ключевой фактор устойчивого развития", МГГУ, Москва, 2002г.; II международная научно-практическая конференция "Развивающиеся интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления", Новочеркасск, 2002г.; III, IV, V и VI Международная научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов "Строительство - формирование среды жизнедеятельности", МГСУ, Москва, 2000-2003гг. [А5,А15,А16,А28,А30, АЗЗ,А40-А44,А46,А47,А49-А53,А57-А60,А62-А64,А66,А76 и др.].
Результаты работы обсуждались на заседаниях и семинарах кафедры САПР в строительстве (1997-2000гг.), информационных систем и технологий управления строительством (2000-2003гг.), системного анализа в строительстве (2000-2003гг.), совете специального факультета систем автоматизации проектирования (2000-2003 гг.) МГСУ, секции "Строительство" Российской инженерной академии (1998—2003гг.).
Результаты исследования отмечены грамотами Госстроя России и Информационного научно-технического журнала "Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века".
Публикации. Основное содержание и результаты исследования опубликованы в более чем семидесяти научных и учебно-методических работах обшим объемом 55,0 п.л., в том числе лично соискателем - 47,5 п.л. [А1-А77]. По результатам исследования опубликована монография (15,75 п.л.) [А77].
Основное содержание диссертационного исследования отражено в двадцати двух печатных работах, выполненных лично автором (две работы в соавторстве), опубликованных в пяти различных ведущих научных журналах и изданиях, выпускаемых в Российской Федерации, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в соответствие с решением Высшей аттестационной комиссии Министерства образования Российской Федерации в период с 1999 по 2003гг. [А11,А17,А18,А20,А2!,А24,А27,А29,А31,А36, А37,А45,А48,А54-А56,А65,А69,А71 ,А73-А75].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и предложений, библиографического списка (в том числе - списка использованных информационных ресурсов Web и авторских публикаций) и приложений.
Текст диссертации содержит 350 страниц, 25 иллюстраций, 9 таблиц, 7 приложений.
Библиографический список включает 404 наименования печатных работ, 81 информационный ресурс Web и 77 авторских публикаций.
На защиту выносятся положения, составляющие научную новизну представленного диссертационного исследования.
Отдельные теоретические направления исследований, представленные в диссертационной работе, поддержаны Министерством образования 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") и признаны соответствующими следующим важнейшим позициям перечня "Приоритетные направления развития науки и техники и критические технологии федерального уровня":
? информационно-телекоммуникационные технологии и электроника;
? производственные технологии;
? искусственный интеллект;
? компьютерное моделирование;
? снижение риска и уменьшение последствий природных и техногенных катастроф.
Автор выражает благодарность научному консультанту, доктору технических наук, профессору Александру Антоновичу Гусакову за научно-методологическую помощь при выполнении диссертационного исследования, результаты которого развивают научное направление системотехники строительства, созданное А.А. Гусаковым и школой его учеников.
Методологическая схема, отражающая основные составляющие исследования в их взаимосвязи, представлена на рис. В.1.
Анализ возмущений, инициирующих процессы управления строительным объектом
Научно-техническая гипотеза диссертационного исследования о возможности расширения научно-фундаментальной концепции функциональных систем управления на область строительства и эксплуатации зданий и сооружений предполагает парадигму управления строительным объектом как реакцию на возмущение того или иного характера и интенсивности. Таким образом, анализ концепции управления зданиями и сооружениями тесно связан с анализом возмущений устойчивого состояния строительного объекта, инициирующих процессы управления в описанном смысле.
Под устойчивым будем понимать состояние, при котором действительные функциональные и технические характеристики здания (сооружения) и его элементов соответствуют области допустимых значений, а характер динамики их изменения не предполагает возможности возникновения несоответствия в течение расчетного периода времени [А61, А69,А77 и др.].
Действительно, к сожалению, какими совершенными ни были бы технологии проектирования и строительства зданий и сооружений, любое из них, даже изначально ориентированное на экстремальные нагрузки, может стать объектом возмущений, характер и динамика которых определяют частичное или полное разрушение строительных конструкций, отказ систем инженерного оборудования и т.д. Причин подобных возмущений множество: от пренебрежения техникой безопасности, сбоев в технологическом цикле и отказов установленного оборудования и инженерных систем, до геологических и гидрометеорологических чрезвычайных ситуаций природного характера.
Сегодня процессы строительного производства охватывают, в той или иной мере, практически все области человеческой деятельности. Невозможно представить себе жизнь без активного использования результатов строительной науки. К сожалению, в последнее время все чаще звучат сообщения о различного рода катастрофах, следствием которых является огромные материальные убытки и, что особенно печально, в некоторых случаях - гибель людей. Как показывает практика, большинство чрезвычайных ситуаций, вызванных теми или иными причинами техногенного или природного характера затрагивают строительные объекты. Во многих случаях именно здания и сооружения являются эпицентром подобных ситуаций [88 и др.]. Действительно, в случае катастроф, большинство людей гибнет под обломками разрушенных строительных конструкций, часто в этом случае здание оказывается невольной "ловушкой" для оказавшихся в нем людей, покинуть которую не используя внешней помощи, специальной техники, оборудования и технологий не представляется возможным.
Исходя из изложенного, анализ и классификация возможных возмущений, являющихся следствием той или иной чрезвычайной ситуации или катастрофы, становится важной и актуальной задачей в комплексе проблем проектирования сценариев управляющих воздействий, ориентированных на компенсацию таких возмущений на уровне функционирования сложных технических систем - современных зданий и сооружений.
Многообразие терминов, определяющих общее понятие "чрезвычайной ситуации" - наиболее распространенного в практике, связанной с ликвидацией их последствий, определило необходимость некоторого обобщения, попытка которого была предпринята автором в диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук [А9]. Было сформулировано понятие "кризисной ситуации". Под кризисной ситуацией в строительном объекте предлагалось понимать вызванное любыми причинами, внезапное кратковременное или продолжительное изменение условий внешней среды, в которую помещен строительный объект, в силу которых некоторые конструктивные элементы объекта претерпевают нагрузки, настолько превышающие расчетные, что возникает опасность его полного или частичного разрушения, а так же опасность для жизни и здоровья людей, вызванная, кроме перечисленных причин, изменением микроклимата объекта. Подобная трактовка понятия "кризисная ситуация" охватывала не только классические задачи разрушения зданий и сооружений, но и классы сопутствующих задач, например, аварийные выбросы химических или радиоактивных веществ, взрывы газо-паровоздушных смесей и т.д. "Катастрофа" - понятие во многом сходное с предложенной трактовкой понятия "кризисная ситуация", отражает в большей степени предмет кризисной ситуации природного характера, в отличие от термина "авария", больше применимого к кризисным ситуациям техногенного характера и, относящегося в широком смысле к их конкретным следствиям. Еще одним аргументом, определившим появление такого термина было стремление выделить "кризисные ситуации" в строительных объектах в отличие от общего многообразия чрезвычайных ситуаций в более широком контексте.
Качественно новый подход к объекту исследования в рамках настоящей диссертации определил необходимость конкретизации изложенных понятий на новом уровне, позволяющим рассматривать современные здания и сооружения в аспекте управляемых технических систем. Такая конкретизация предполагает ситуационный характер возмущений устойчивого состояния строительных объектов, как следствий кризисных ситуаций в описанном выше смысле, не только в общем понимании понятия "ситуация", но и с точки зрения его формального определения и математического обоснования (см. далее).
Ситуационный характер возмущений, инициирующих процессы управления зданиями и сооружениями, предполагает многоуровневую иерархическую классификацию, основой которой являются расчетные и нештатные ситуации [А61,А69,А77 и др.].
Расчетная ситуация в строительном объекте - это вызванное возмущением любого характера и интенсивности, прогнозируемое изменение действительных функциональных и/или технических характеристик здания (сооружения) и/или его элементов, не повлекшее утрату устойчивого состояния строительного объекта.
Нештатная ситуация - это вызванное возмущением любого характера и интенсивности, непрогнозируемое изменение действительных функциональных и/или технических характеристик здания (сооружения) и/или его элементов, повлекшее утрату устойчивого состояния строительного объекта.
Примером расчетной ситуации может быть изменение внутренней температуры жилого здания вследствие изменения температуры наружного воздуха или изменение освещенности помещения в течение суток.
Примером нештатной ситуации может быть изменение внутренней температуры и микроклимата жилого здания вследствие повреждения системы отопления, пожара, разрушения ограждающих конструкций и т.д.
Основанием подобной терминологии являются следующие рассуждения.
Как видно из определений, расчетные и нештатные ситуации характеризуются прогнозируемым и непрогнозируемым изменением действительных функциональных и/или технических характеристик, а также сохранением либо утратой устойчивого состояния строительного объекта соответственно. Очевидно, что возникновение расчетных ситуаций предполагается и, соответствующим образом, учитывается на стадии проектирования того или иного здания или сооружения, т.е., характеризуя ситуацию как расчетную, инженер определяет параметры устойчивого состояния объекта таким образом, чтобы возникновение расчетной ситуации не привело к их существенному изменению, либо динамика таких изменений в необходимой степени компенсируется соответствующим управляющим воздействием (или определенной последовательностью управляющих воздействий) оригинальной системы, функционирующей в составе инженерного оборудования строительного объекта. Сказанное, однако, вовсе не определяет того факта, что любая нештатная ситуация, в свою очередь, является следствием непрогнозируемого возмущения. Ключевым является лишь вторая часть сформулированного определения. На практике, класс непрогнозируемых возмущений устойчивого состояния строительных объектов весьма мал. С другой стороны, экономически, и по целому ряду других немаловажных критериев, среди которых - сроки строительства, объективная необходимость соответствия здания или сооружения определенному функционально-целевому назначению и др., очевидно неоправданным представляется проектирование строительного объекта таким образом, чтобы свести класс нештатных ситуаций к пустому, т.е., фактически, включив его в состав класса расчетных. Существующая проектная практика предполагает "закрывать глаза" на многие нештатные, в представленной трактовке, ситуации в силу малой вероятности их возникновения, значительного увеличения стоимости и сроков строительства в случае проектирования и создания комплекса соответствующих "компенсирующих" систем.
Моделирование ситуаций и анализ проекта
Гомеостатическое проектирование является основой методики моделирования ситуаций и анализа проекта, представляющей комплексный аналитический подход к выявлению элементов проекта, способных в той или иной форме инициировать и/или препятствовать подавлению динамики нештатной ситуации, и разработке схем формирования решений по оптимизации таких элементов. В рамках предлагаемой методики осуществляется предварительное математическое моделирование, анализ и многокритериальная оценка возможных (вероятных) возмущений, их динамики и последствий на основе формальной информационной модели строительного объекта, создаваемой на стадии гомеостатического проектирования.
Информационная модель строительного объекта - это совокупность знаний о конструкциях, инженерном оборудовании, технических, технологических и иных решениях здания (сооружения) и его элементов, формализованная в терминах описания строительного объекта как объекта целевого управления [А61,А69,А77 и др.].
В диссертации принят и адаптирован к предметной области следующий подход к формальному определению понятия "ситуации" и построению информационной модели строительного объекта (В.Ф. Яковлев). Пусть реализовано в некотором смысле подходящее, а в общем случае -иерархическое, разбиение некоего целостного строительного объекта на части, части частей и т.д., до уровня принципиально неделимых элементов. Пусть I - множество (различных) имен всех элементов разбиения. В дальнейшем, каждый элемент из множества / рассматривается в качестве активного объекта, способного находиться в любом состоянии х, из множества Хп семейство (Хі)ієІ - совокупность (непересекающихся, без исключения общности) множеств возможных локальных состояний элементов из /. Предположим реализуемую возможность фиксации множества q.t для каждого іє I тех состояний иных элементов je І, от которых зависит текущее состояние элемента і, в каждый момент времени; при этом
Таким образом, в едином понятии "ситуация в данный момент времени" сосредоточены все характеристики, определяющие мгновенную конфигурационную и информационную обстановку в системе.
Формальная информационная модель здания (сооружения) может быть естественным образом построена на основании общих определений множеств имен элементов системы (/), пространства конфигураций (F), информационных структур (Q) и ситуаций (S), рассмотренных выше.
Рекомендуемые принципы и порядок построения такой модели состоят в следующем:
1. Как было указано, множество / должно отражать иерархическую структуру конструктивной и эксплуатационной организации реального объекта. Формально это означает, что на / возникает модельное отношение древесного порядка, в котором имя целостного объекта - корневая вершина, четко выделены уровни иерархии, элементы которых суть имена элементов последовательных членений целого. Древесный порядок может быть представлен (конечной) совокупностью отношений эквивалентности при описании множества / в "обратном" порядке:
выделяется подмножество /,с/ принципиально (для данной задачи) неделимых элементов, фиксируется его естественное разбиение и вводится исходное отношение эквивалентности g, с /, х /,; множество /, принимается в качестве самого нижнего (последнего) уровня иерархии;
строится фактор-множество /2 ={/2(3/І)(/1 є/, л/2 =g, ({/,}))}, а также каноническое отображение &,:/,- /.,, определенное равенством кх ={(/,,/2)/, є/, лi2 =g,({/,})}; множество 12 принимается в качестве предпоследнего уровня иерархии, упорядоченные пары из кх - в качестве конструктивных (проектных, номинальных) информационных связей;
на множестве 12 фиксируется естественное разбиение, по которому вводится отношение эквивалентности g2 с 12 х 12, строятся новые фактормножество 13 = {і3\(3і2)(і2е І2 лі3= g2({i2}))} и каноническое отображение к2:12-+13 с интерпретациями, аналогичными интерпретациям схожих объектов на предшествующем уровне описания;
аналогичные построения проводятся на всех последующих уровнях, включая второй, так, что корневая вершина дерева (имя объекта) оказывается общим именем элементов второго уровня.
Таким образом, возникает совокупность множеств /,,...,/„, совокупность отношений эквивалентности g\,—,g„ и совокупность множеств упорядоченных пар &,,...,&„_,.
2. Вводится множество 10 имен объектов окружающей среды, поведение которых необходимо учесть в данной задаче. Множество / =/0и/,и...и/л объявляется множеством имен элементов будущей системы, подлежащей изучению; по построению эти множества попарно не пересекаются. Множество g = gx u...ugn называется конструктивным отношением эквивалентности на /, индуцирующим указанное разбиение /. Множество упорядоченных пар k-k{KJ...Kjkn есть множество конструктивных информационных связей, которые в совокупности определяют модель внутренней невозмущенной (проектной) информационной структуры объекта.
3. Для каждого і є I вводится множество X. возможных состояний, из которого выделяется подмножество (не обязательно собственное) допустимых состояний X .
4. Производится построение:
- пространства конфигураций F;
- пространства глобальных возмущений Q;
- пространства (возмущенных) информационных структур R = {r\(3f)(3q)(feFAqGQAr = kuroq)}.
- пространства ситуаций S = {s\(3f)(3r)(f eFAreRAs = for)}.
5. Из множества всех возможных входных букв для каждого ієі выделяется локальный входной алфавит А. = {a\(Bs)(se SACI = SOА,,.,)}; из определений следует, что множества этого вида при различных нижних индексах не пересекаются.
6. Локальное поведение каждого ієі полностью определяется функцией регулирования вида уі : А. — X. (в теории коллективного поведения автоматов - функция локальных переходов). Если для каждого элемента системы в каждый момент времени для каждой входной буквы выполняется уі (а) є X , то совокупность принятых функций регулирования обеспечивает допустимые изменения состояний элементов системы. Если в процессе возможного изменения этих функций выполняется условие у.є у.А.-ьХ.лу А сіХ }, можно говорить, что реализуется стратегия гомеостатического управления (см. далее).
Если в некоторый момент времени для некоторого і є I при некоторой входной букве оказалось у,(а) є X. - X , то возникла ситуация, требующая корректировки (изменения вида) функции локального перехода и, следовательно, глобального поведения системы.
Формальное представление строительного объекта и ситуаций, характеризующих его мгновенное состояние, дает возможность прогнозировать динамику и результаты изменения состояния объекта средствами математического моделирования активных и возможных процессов, определенных спецификой конкретной ситуации (например -процессов последовательного разрушения строительных конструкций). Теоретической основой математического моделирования в изложенном контексте являются работы отечественных и зарубежных ученых и специалистов, ориентированные на специфику прикладных областей строительной науки - различные направления теории надежности в строительном проектировании. Объективным подтверждением сказанного могут служить следующие работы [1-6,17,22,30,31,36,38,39,53,54,63,83,96,98, 102,110,115,118,126-128,143,158,173,175,181,184,201,202,213,214,216,217,219, 229,233,234,244,246,248,256,265,274,278-280,299,309,315,317,323,329 и др.].
В случае, если результатом моделирования явилось заключение о потенциальной опасности того или иного проектного решения осуществляется анализ возможности его изменения. При проведении подобного анализа инженер сталкивается с необходимостью сопоставления некоторого набора факторов, влияющих на принятие решения, например -вероятность возникновения моделируемой ситуации на конкретном объекте (с учетом особенностей и срока его эксплуатации, месторасположения, возможности изменения функционального назначения и т.д.), наличие материальных ресурсов на изменение элементов проекта, времени на осуществление таких изменений и т.д.
Парадигма интероперабельности информационных компонент функциональных систем гомеостатического управления
Составными частями функциональных систем гомеостатического управления системы являются произвольные информационные ресурсы -программные компоненты, базы данных, базы знаний, файлы данных (включая мультимедийную информацию), компоненты существующих информационных систем, и др. независимо от аппаратно-программных платформ их реализации и размещения в пространстве. Этот слой расположен обычно над сетевой архитектурой, являющейся необходимой предпосылкой такой совместной деятельности компонентов, обеспечивающей их взаимосвязь.
При проектировании функциональных систем гомеостатического управления рассматриваются насущные потребности применений, определяющие существенную мотивацию для перехода к интероперабельным информационным системам и разработки соответствующей технологии. Подтвердим сказанное общим анализом проектирования интероперабельных информационных систем, изложенном в [W19].
Функционирование систем гомеостатического управления происходит в условиях информационной и реализационной неоднородности, распределенности и автономности информационных ресурсов системы. Информационная неоднородность ресурсов заключается в разнообразии их прикладных контекстов (используемых онтологических средств - понятий, словарей; отображаемых реальных объектов, составляющих "поверхность соприкосновения" различных реальных миров и их (объектов) абстракций в информационных системах; семантических правил, определяющих адекватность совокупностей моделируемых объектов реальности; моделируемых деятельностей; видов данных, способов их сбора и обработки; интерфейсов пользователей и т.д.). Реализационная неоднородность источников проявляется в использовании разнообразных компьютерных платформ, средств управления базами данных, моделей данных и знаний, средств программирования, операционных систем и т.п.
Процесс создания функциональных систем гомеостатического управления, а равно и использования таких систем предполагает ориентацию на следующие немаловажные факторы.
Интеграция систем. Системы эволюционируют от простых, автономных подсистем к более сложным, интегрированным системам, основанным на интероперабельном взаимодействии компонентов.
Реинженерия систем. Эволюция функциональных процессов - это непрерывный процесс, который является неотъемлемой составляющей проектируемых функциональных систем. Соответсвенно, создание системы и ее реконструкция (реинженерия) - непрерывный процесс формирования, уточнения требований и конструирования. Реконструкция систем осуществляется постепенно. Система должна быть сконструирована так, чтобы произвольные ее составляющие могли быть реконструированы при сохранении целостности системы.
Миграция унаследованных систем. Любая система после создания противодействует изменениям и имеет тенденцию быстрого превращения в устойчивую структуру (т.н. legacy systems - унаследованные системы, использующие "уставшие" технологии, архитектуры, платформы, а также собственно программное и информационное обеспечение, при проектировании которых не были предусмотрены нужные меры для их пошаговой миграции в новые системы, соответствующие новым требованиям деловых процессов и технологии). Существенно, что в процессе миграции необходимо, чтобы мигрировавшие составляющие системы и оставшиеся компоненты унаследованных систем сохраняли интероперабельность.
Повторное использование неоднородных информационных ресурсов. Технология разработки информационных систем должна позволять крупномасштабно применять технологию повторного использования информационных ресурсов, переходя от технологии программирования, основанной на интенсивном индивидуальном труде по созданию вручную изделий, удовлетворяющих специфическим требованиям одного конкретного применения, к технологии, основанной на планируемых капиталовложениях в разработку повторно-используемых компонентов, которые могут быть "соединены" (т.е., образованы их интероперабельные сообщества) для производства серий стандартизованных продуктов в определенной прикладной области.
Продление жизненного цикла систем. В условиях исключительно быстрого технологического развития требуются специальные меры, обеспечивающие необходимую продолжительность жизненного цикла.
Существенно, что свойство интероперабельности информационных ресурсов функциональных систем гомеостатического управления является необходимой предпосылкой удовлетворения перечисленных требований.
Основу информационной архитектуры функциональных систем гомеостатического управления составляет концепция промежуточного слоя (middleware) - сосредоточение родовых служб в специальном слое архитектуры, расположенном между операционной системой и средствами управления компьютерными сетями и прикладными системами, специфическими для конкретных областей применения. Традиционно к такому промежуточному слою относились средства управления и доступа к данным, средства разработки программ, средства управления распределенными вычислениями (включая поддержку необходимых протоколов взаимодействия), средства поддержки пользовательского интерфейса и др. Такие инфраструктуры использовались как отдельными компаниями (IBM), так и в международных проектах (например, UNIX -ориентированная интеграционная среда). Применяемые идеи и технологии не позволяли до сих пор решить радикально архитектуру промежуточного слоя.
OMG на основе объектной технологии и идеи интероперабельности вводит концепцию промежуточного слоя последовательно, радикально и до конца. Технически интероперабельность компонентов (представляемых объектами) решена введением базовой объектной модели, унифицированного языка спецификации интерфейсов объектов, отделением реализации компонентов от спецификации их интерфейсов, введением общего механизма поддержки интероперабельности объектов (брокера объектных заявок, играющего роль "общей шины", поддерживающей взаимодействие объектов). Тем самым достигается однородность представления компонентов и их взаимодействия. Далее, для формирования информационной архитектуры вводится слой унифицированных (ортогональных) служб, которые используются как при конструировании прикладных систем, так и для формирования функционально законченных средств промежуточного слоя, предлагающих конкретные виды услуг. Существенно, что и службы, и средства представляются однородно своими объектными интерфейсами, что позволяет обеспечить их интероперабельность посредством брокера объектных заявок.
Одним из интересных следствий этого подхода, иллюстрирующим его радикальность, является реализация в информационной архитектуре функций СУБД совокупностью объектных служб.
Объектная модель OMG определяет общую объектную семантику для спецификации базовых характеристик объектов стандартным, независимым от реализации образом. Объектная модель OMG определяется в виде объектной модели - ядра (Core Object Model - СОМ) и совокупности расширений. Объектная модель - ядро - специфицирует некоторый набор базовых понятий. Примерами понятий СОМ являются объекты, операции, типы, отношение тип/подтип, наследование, интерфейс типа. Каждое расширение вводит дополнительный набор понятий. Расширяться может либо СОМ, либо уже существующие и согласованные расширения. При этом вводится понятие "профиля", как некоторой комбинации СОМ, и одного или нескольких расширений, вместе поддерживающих определенную целевую архитектуру.
Эталонная модель архитектуры OMG определяет концептуальную схему для поддержки технологии, удовлетворяющей техническим требованиям OMG. Она идентифицирует и характеризует компоненты, интерфейсы и протоколы, составляющие архитектуру управления объектами OMG (Object Management Architecture - ОМА), не определяя, впрочем, их детально. Согласованная с ОМА прикладная система состоит из совокупности классов и экземпляров, взаимодействующих при помощи брокера объектных заявок (Object Request Broker - ORB).
Объектные службы (Object Services) представляют собой коллекцию служб, снабженных объектными интерфейсами и обеспечивающих поддержку базовых функций объектов. Общие средства (Common Facilities) образуют набор классов и объектов, поддерживающих полезные во многих прикладных системах функции. Прикладные объекты представляют прикладные системы конечных пользователей и обеспечивают функции, уникальные для данной прикладной системы.
Брокер объектных заявок обеспечивает механизмы, позволяющие объектам посылать или принимать заявки, отвечать на них и получать результаты, не заботясь о положении в распределенной среде и способе реализации взаимодействующих с ними объектов. ORB отвечает за поиск реализации объекта, участвующего в заявке, подготовку объектной реализации к приему заявки и передачу данных, являющихся результатом заявки. Интерфейс клиента полностью независим от расположения вызываемого объекта, языка программирования, на котором он реализован, и любых других аспектов, не отраженных в интерфейсе вызываемого объекта.
Технологии Computer Aided Software Engineering (CASE)
Термин CASE (Computer Aided Software Engineering) используется в настоящее время в весьма широком смысле. Первоначальное значение термина CASE, ограниченное вопросами автоматизации разработки только лишь программного обеспечения, в настоящее время приобрело новый смысл, охватывающий процесс разработки сложных информационных систем в целом. Сегодня под термином "CASE" понимаются программные средства, поддерживающие процессы создания и сопровождения информационных систем, включая анализ и формулировку требований, проектирование прикладного программного обеспечения (приложений) и баз данных, генерацию кода, тестирование, документирование, обеспечение качества, конфигурационное управление и управление проектом, а также другие процессы. CASE-средства вместе с системным программным обеспечением и техническими средствами образуют полную среду разработки информационных систем.
Появлению CASE-технологии и CASE-средств предшествовали исследования в области методологии программирования. Программирование обрело черты системного подхода с разработкой и внедрением языков высокого уровня, методов структурного и модульного программирования, языков проектирования и средств их поддержки, формальных и неформальных языков описаний системных требований и спецификаций и т.д. Кроме того, появлению CASE-технологии способствовали и такие факторы, как: подготовка аналитиков и программистов, восприимчивых к концепциям модульного и структурного программирования; широкое внедрение и постоянный рост производительности компьютеров, позволившие использовать эффективные графические средства и автоматизировать большинство этапов проектирования; внедрение сетевой технологии, предоставившей возможность объединения усилий отдельных исполнителей в единый процесс проектирования путем использования разделяемой базы данных, содержащей необходимую информацию о проекте.
CASE-технология представляет собой методологию проектирования информационных систем, а также набор инструментальных средств, позволяющих в наглядной форме моделировать предметную область, анализировать эту модель на всех этапах разработки и сопровождения информационных систем и разрабатывать приложения в соответствии с информационными потребностями пользователей. Большинство существующих CASE-средств основано на методологиях структурного (в основном) или объектно-ориентированного анализа и проектирования, использующих спецификации в виде диаграмм или текстов для описания внешних требований, связей между моделями системы, динамики поведения системы и архитектуры программных средств.
Согласно обзору передовых технологий (Survey of Advanced Technology), составленному фирмой Systems Development Inc. по результатам анкетирования более тысячи американских фирм, CASE-технология в настоящее время попала в разряд наиболее стабильных информационных технологий (ее использовала половина всех опрошенных пользователей более чем в трети своих проектов, из них 85% завершились успешно).
Однако, несмотря на все потенциальные возможности CASE-средств, существует множество примеров их неудачного внедрения, в результате которых CASE-средства становятся "полочным" программным обеспечением (shelfware). В связи с этим, характеризуя процесс применения CASE-средств при разработке функциональных систем гомеостатического управления, необходимо отметить следующее:
- CASE-средства не обязательно дают немедленный эффект; он может быть получен только спустя какое-то время;
- реальные затраты на внедрение CASE-средств обычно намного превышают затраты на их приобретение;
- CASE-средства обеспечивают возможности для получения существенной выгоды только после успешного завершения процесса их внедрения.
Ввиду разнообразной природы CASE-средств было бы ошибочно делать какие-либо безоговорочные утверждения относительно реального удовлетворения тех или иных ожиданий от их внедрения. Можно перечислить следующие факторы, усложняющие определение возможного эффекта от использования CASE-средств при решении конкретных задач проектирования распределенных информационных структур функциональных систем гомеостатического управления:
- широкое разнообразие качества и возможностей CASE-средств;
- относительно небольшое время использования CASE-средств в различных организациях и недостаток опыта их применения;
- широкое разнообразие в практике внедрения различных организаций;
- отсутствие детальных метрик и данных для уже выполненных и текущих проектов;
- широкий диапазон предметных областей проектов;
- различная степень интеграции CASE-средств в различных проектах.
Вследствие этих сложностей доступная информация о реальных внедрениях крайне ограничена и противоречива. Она зависит от типа средств, характеристик проектов, уровня сопровождения и опыта пользователей. Некоторые аналитики полагают, что реальная выгода от использования некоторых типов CASE-средств может быть получена только после одно- или двухлетнего опыта. Другие полагают, что воздействие может реально проявиться в фазе эксплуатации жизненного цикла информационных систем, когда технологические улучшения могут привести к снижению эксплуатационных затрат.
Для успешного внедрения CASE-средств проектная организация должна обладать следующими качествами:
- технология - понимание ограниченности существующих возможностей и способность принять новую технологию;
- культура - готовность к внедрению новых процессов и взаимоотношений между разработчиками и пользователями;
- управление - четкое руководство и организованность по отношению к наиболее важным этапам и процессам внедрения.
Если проектная группа не обладает хотя бы одним из перечисленных качеств, то внедрение CASE-средств может закончиться неудачей независимо от степени тщательности следования различным рекомендациям по внедрению.
Для того, чтобы принять взвешенное решение относительно инвестиций в CASE-технологию, пользователи вынуждены производить оценку отдельных CASE-средств, опираясь на неполные и противоречивые данные. Эта проблема зачастую усугубляется недостаточным знанием всех возможных "подводных камней" использования CASE-средств. Среди наиболее важных проблем выделяются следующие:
- достоверная оценка отдачи от инвестиций в CASE-средства затруднительна ввиду отсутствия приемлемых метрик и данных по проектам и процессам разработки программного обеспечения;
- внедрение CASE-средств может представлять собой достаточно длительный процесс и может не принести немедленной отдачи. Возможно даже краткосрочное снижение продуктивности в результате усилий, затрачиваемых на внедрение. Вследствие этого руководство организации -200-пользователя может утратить интерес к CASE-средствам и прекратить поддержку их внедрения;
- отсутствие полного соответствия между теми процессами и методами, которые поддерживаются CASE-средствами, и теми, которые используются в данной организации, может привести к дополнительным трудностям;
- CASE-средства зачастую трудно использовать в комплексе с другими подобными средствами. Это объясняется как различными парадигмами, поддерживаемыми различными средствами, так и проблемами передачи данных и управления от одного средства к другому;
- некоторые CASE-средства требуют слишком много усилий для того, чтобы оправдать их использование в небольшом проекте, при этом, тем не менее, можно извлечь выгоду из той дисциплины, к которой обязывает их применение;
- негативное отношение персонала к внедрению новой CASE-технологии может быть главной причиной провала проекта.
Пользователи CASE-средств должны быть готовы к необходимости долгосрочных затрат на эксплуатацию, частому появлению новых версий и возможному быстрому моральному старению средств, а также постоянным затратам на обучение и повышение квалификации персонала.
Несмотря на все высказанные предостережения и некоторый пессимизм, грамотный и разумный подход к использованию CASE-средств может преодолеть все перечисленные трудности.
