КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Міністерство освіти і науки України

Барабаш Марія Сергіївна

УДК 007:681.518.2:681.3.016

Методи та засоби експертної системи вибору раціональних проектних рішень просторових конструкцій

05.13.12 – Системи автоматизації проектувальних робіт

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ, 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Київському національному університеті будівництва і архітектури (КНУБА) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: – доктор технічних наук, професор

Городецький Олександр Сергійович, Державний науково-дослідний інститут автоматизованих систем будівництва (ДНДІАСБ), заст. директора.

Офіційні опоненти: – доктор технічних наук, ст. н. с.

Цихановський Валентин Костянтинович, Інститут транспортних технологій “Національний авіаційний університет”, завідувач кафедри реконструкції аеропортів та автошляхів;

– кандидат технічних наук,

Яловець Андрій Леонідович, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є.Пухова НАН України, ст. н. с.

Провідна установа: Національний технічний університет України “КПІ”, кафедра систем автоматизованого проектування Міністерства освіти і науки України (м. Київ).

Захист відбудеться “_30_”_жовтня_2003 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.01 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ – 37, Повітрофлотський проспект, 31, а. 466

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою:

03037, м. Київ – 37, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий “_26_” вересня_2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Цюцюра С.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний розвиток систем автоматизованого проектування характеризується тенденціями інтегрування окремих програмних комплексів і автоматизованих систем. Численні інформаційні об'єднання таких систем, як ARCHITECTURAL-DESKTOP, ARCHICAD (автоматизовані системи архітектурного проектування), ЛІРА (програмний комплекс для розрахунку і проектування конструкцій різного призначення), МОНОМАХ (програмний комплекс для проектування конструкцій висотних будинків), HIPER-STEEL (програмний комплекс для проектування сталевих конструкцій) і багато ін. свідчать про те, що інтеграція є приоритетним напрямком сучасних технологій проектування. Швидкий же розвиток технічних платформ і операційних середовищ сучасних комп'ютерів обумовлює можливість застосування нових концепцій інтеграції. Разом з тим висока автоматизація проектних робіт і складність об'єктів, що проектуються, часто приводить до ситуації, коли фахівцю важко буває оцінити вірогідність результатів, отриманих на основі розвинутого програмного забезпечення САПР.

У ситуації, що створилася, актуальним є: розробка експертних систем, що дозволяють зробити варіантне проектування, оцінити отримані варіанти, відібрати з них найбільш раціональні, надавши фахівцю вичерпну інформацію для вибору прийнятного варіанта; та також розробка нових концепцій інтеграції, заснованих на цифровій моделі об'єкта – “віртуальний об'єкт”, який є комп'ютерним відображенням об'єкта в натурі, де кожен елемент (колони, ригель, вікно, двері і т.д.) мають геометричні, топологічні та змістовні параметри.

Об’єкт дослідження - процес проектування просторових конструкцій.

Предмет дослідження - сучасні технології проектування, що ґрунтуються на функціонуванні експертних систем з використанням прийомів та методів штучного інтелекту.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в Київському національному університеті будівництва і архітектури в рамках аспірантури і держбюджетних тем на 1991 – 2002 р.р.: “Розробка підсистеми оптимального проектування і розрахунків на міцність полегшених просторових конструкцій з елементами бази знань і експертних систем у САПР об'єктів будівництва” (№ держ. реєстрації UA 01013456P), “Розробка математичного та програмного забезпечення систем оптимального проектування оболонкових, мембранних і стержневих просторових конструкцій при статичних та динамічних навантаженнях” (№ держ. реєстрації 0194V016668), “Розробка теоретичних основ побудови інтегрованих систем комп'ютерного дослідження міцності і стійкості відповідальних просторових елементів сучасних будівель і машинобудівних конструкцій при статичному і динамічному навантаженні” (№ держ. реєстрації 0102V000927). Проведені дослідження і програмна реалізація методики завдання і обробки важкоформалізуємих процедурних знань експертної системи вибору раціональних проектних рішень просторових конструкцій на основі сучасних концепцій інформаційних технологій з використанням засобів штучного інтелекту.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є дослідження і розробка основних компонентів експертних систем – користувальницького інтерфейсу, інформаційно-логічної моделі об'єкта (ІЛМО), бази знань (БЗ), що відповідають вимогам сучасних комп'ютерних технологій проектування.

Основними задачами дослідження є:

– аналіз просторових конструкцій об'єктів будівництва житлових, цивільних та промислових будинків і виявлення видів знань на різних етапах проектування;

– аналіз ступеня формалізуємості різних етапів проектування просторових конструкцій з метою виявлення важкоформалізуємих етапів і визначення можливих шляхів алгоритмізації;

– вибір і обґрунтування структури та методів створення цифрової моделі об'єкта проектування;

– визначення і обґрунтування методів та засобів представлення процедурних знань, що забезпечують вибір проектних рішень.

Методи дослідження. Розроблений метод базується на ідеях та принципах системного аналізу, штучного інтелекту та інженерії знань, теорії нечітких множин та лінгвістичних змінних, алгебрі предикатів.

Наукова новизна одержаних результатів. На відміну від відомих існуючих проектувальних систем, розроблені методи за рахунок використання продукційних правил та логіки предикатів дозволяють формалізувати та автоматизувати процес формування проектних рішень нетипових просторових конструкцій.

На захист виносяться такі нові наукові результати:

– структура експертної системи вибору раціональних проектних рішень просторових конструкцій та засоби формування ІЛМО;

– математична модель системи автоматизації проектувальних робіт стосовно генерації проектних рішень, яка визначає особливості об’єкта проектування, вибір стратегії та обмежень, необхідних для знаходження рішень;

– реалізація важко формалізованих процедурних знань експертної системи щодо розробки прийнятних варіантів проектних рішень із застосуванням засобів штучного інтелекту;

– концепція автоматизованого проектування просторових конструкцій на базі цифрової моделі обєкта (ЦМО) – віртуальний обєкт.

Усі наукові результати, що викладаються в дисертаційній роботі, отримані вперше.

Практичне значення одержаних досліджень. Методи і моделі експертної системи, розроблені на основі вимог сучасних комп'ютерних технологій проектування і можуть бути використані для прийняття раціональних проектних рішень для інших розділів проектування.

Проведені дослідження і розроблені в дисертації теоретичні положення, методи і моделі експертної системи, що функціонує на основі цифрової моделі об'єкта – “віртуальний об'єкт” використовуються в технологічній лінії проектування АМАС – ARCHICAD – МОНОМАХ – АРКО-СМЕТА, що у даний час має п’ятнадцять впроваджень у проектних організаціях і фірмах України.

На базі розробленої експертної системи було проведено різноманітне проектування конструктивних схем висотних будинків запроектованих і побудованих корпорацією “Познякижилбуд”, зокрема, будинок № 10 по вул. Клінічної та будинок № 23 по бул. Лесі Українки. У кожному з цих об'єктів ЕС було створено і проаналізовано більше 100 варіантів, з яких декілька найкращих були надані проектувальникам для подальшого розгляду.

Особливістю системи є те, що вона забезпечує інтелектуальну підтримку вибору проектних рішень без спеціальної підготовки користувача в області логічного програмування та нечітких множин.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати отримані здобувачем самостійно. Здобувачем розроблені евристичні алгоритми важкоформалізуємих етапів вибору проектних рішень – розміщення вертикальних несучих елементів, що оформлені у вигляді процедурних знань підсистеми РАСКОНСЕЛ. Розробка технології автоматизованого проектування на основі експертної системи і виконання ряду конкретних проектів висотних будинків виконано під керівництвом і при особистій участі здобувача. У роботах, що написані у співавторстві, здобувачу належать розробки концепції побудови і реалізації експертної системи і бази знань.

Апробація роботи. Основні результати досліджень обговорювались на Республіканській науково-практичній конференції “САПР конструкторської і технологічної підготовки автоматизованого виробництва в машинобудуванні” (Харків, 1990 р.), Республіканської науково-технічної конференції “Функціонально орієнтовані обчислювальні системи” (Харків, 1990 р.), Міжнародної науково-технічної конференції “Актуальні проблеми фундаментальних наук” (Москва, 1991 р.), Міжнародної науково-технічної конференції “Состояние и перспективы развития электротехнологии” (Іваново, 1992 р.), а також на щорічних науково-практичних конференціях КНУБА (1992, 1998, 1999, 2000, 2002 р.).

Публікації.. Основні положення дисертації опубліковані в 10 статтях, в тому числі 5 у наукових виданнях, що входять до переліку ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, основної частини (5 розділів), висновків, списку використаних джерел та додатка. Загальний обсяг роботи становить 183 сторінки, у тому числі основного тексту 135 сторінок, 28 рисунків та 1 таблиці. Список використаних літературних джерел складається з 104 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі аналізуються досягнення вчених в теорії експертних систем та систем автоматизованого проектування будівельних конструкцій цивільних та промислових споруд.

Інформаційною та теоретичною базою для досліджень у галузі побудови та функціонування експертних систем і систем автоматизованого проектування послужили роботи провідних вчених України, близького та далекого зарубіжжя: Вагина В.Н., Гладуна В.П., Городецького О.С., Демченка В.В, Дехтяря А.С., Дмитрієва Л.Г., Кислоокого В.Н., Лихогруда Н.Г., Лященка А.А., Михайленка В.Є, Петренка О.І., Попова Е.В., Поспєлова Г.С., Поспєлова Д.А., Сазонова К.О., Синявського О.Л., Скурихина В.И., Яловця А.Л., Fenves S., Hayes-Roth F., Waterman D.A. та іншіх вчених.

Обґрунтовується актуальність теми, формулюються цілі та обсяг досліджень, показується наукова новизна, реалізація та апробація результатів роботи.

У першому розділі проводиться ретроспективний аналіз автоматизованих систем проектування просторових конструкцій і аналізуються основні тенденції розробки і функціонування сучасних автоматизованих систем проектування.

Дається аналіз процесу проектування конструкцій, як процесу, характерного для проектування більшості розділів проекту. Виявляється послідовність перетворення даних починаючи від завдання на проектування до випуску робочих креслень. Класифікуються окремі етапи процесу проектування за ступенем їх формалізуємості. Результат цієї класифікації приведений у табл.1.

Особлива увага приділяється процесу вибору проектних рішень просторових конструкцій. Формулюються вимоги до експертних систем і баз знань з точки зору функціонування сучасних інформаційних систем.

При розгляданні проблеми представлення знань аналізуються такі аспекти:

– створення розрахункових моделей різних класів просторових конструкцій і розвиток математичного апарата з представлення знань;

– виявлення, структурування і формалізація знань про предметну область (ПО);

– модифікація знань і даних у ЕС.

Надається аналіз моделей представлення знань у складі наступних аспектів:

– структуризація знань у системах проектування;

– переваги і недоліки стандартних методів представлення знань;

– можливість сумісного використання моделей представлення знань;

– обґрунтування доцільності вибору моделі представлення знань предметної області, що досліджується.

В другому розділі розроблена функціональна схема експертної системи (рис. 1).

Основними складовими ЕС є інформаційно-логічна модель об'єкта, база знань і виконавчий процесор.

У складі ІЛМ об'єкта проектування розроблена структура цифрової моделі об'єкта (ЦМО) і механізм формування проектного рішення. У ЦМО об'єкт представляється як набір елементів – ригель, колона, опалювальний прилад, кондиціонер, елемент висвітлення і т.п.

Розроблені логічні класи, у яких зберігається інформація про кожен елемент об'єкта – його геометричні і змістовні реквізити. До геометричних характеристик належать параметри, що визначають положення елемента в просторі.

Таблиця 1

П1 | Завдання на проектування

П2 | Варіантне формування топології конструктивної схеми і набору даних для проектних рішень. | ЗН.1 Знання по вибору доцільних параметрів проектних рішень.

ЗН.2 Знання по формуванню набору проектних даних. | Важкоформалізуємі

П3 | Складання розрахункових схем, призначення типів перетинів стрижневих елементів і товщин плит, діафрагм; а також призначення конструкцій вузлів, призначення навантажень . | ЗН.3 Інтуїтивні знання фахівця-експерта, знання по ідеалізації об'єкта проектування.

ЗН.4 Знання по декомпозиції задач. | Важкоформалізуємі

П4

П5

П6 | Розрахунок на статичні впливи (силові, температурні, деформаційні).

Розрахунок на стійкість і динамічні впливи (сейсміка, вітер з урахуванням пульсації, змушені коливання й ін.).

Визначення зусиль в елементах, розрахункових сполучень зусиль, розрахункових сполучень навантажень. | ЗН.5 Знання про методи будівельної механіки і математичної фізики.

ЗН.6 Знання про напруги і деформації конструкцій, знання про закони стану і теорії, і інші проблемно-орієнтовані знання.

ЗН.7 Знання про методи розрахунку конструктивних елементів. | Формалізуємі

П7 | Підбір перетинів залізобетонних, сталевих і дерев'яних елементів. | ЗН.7 Знання про методи розрахунку конструктивних елементів.

ЗН.8 Знання про конструкції,матеріали. | Формалізуємі

П8 | Аналіз результатів розрахунку і синтез проектних рішень. | ЗН.9 Алгоритмічні і неалгоритмічні знання.

ЗН.10 Знання про стратегії вирішення проектних задач.

ЗН.11 Специфічні знання про предметну область. | Формаліз.

Важкоформалізуємі

П9 | Вибір остаточного варіанта проектного рішення. | ЗН.12 Знання по оцінці проміжних проектних результатів.

ЗН.13 Знання про критерії оцінок їхньої вірогідності.

ЗН.14 Знання по інтерпретації, оцінці і поясненню проектних рішень. | Важкоформалізуємі

П10 | Підрахунок обсягів робіт, оформлення позицій для кошторисів, вироблення проекту провадження робіт і проекту організації будівництва . | ЗН.11 Специфічні знання про предметну область.

ЗН.12 Знання по оцінці проміжних проектних результатів. | Важкоформалізуємі

Це можуть бути глобальні чи місцеві координати, узагальнені параметри, такі як номер поверху, номер приміщення. До змістовних реквізитів належать параметри, що характеризують властивості цього елемента. Так, для залізобетонної колони логічний клас містить інформацію про матеріал (марка бетону, характеристики армування); геометрію (висота, перетин, консолі), заставні частини; параметри візуального зображення колони. Таким чином, ЦМО є “віртуальним об'єктом”, що формується у вигляді тривимірної моделі, у якій кожна конструкція, або елемент будинку розглядаються як об'ємні. Для кожного типу конструкцій будь-який користувач може одержати потрібну інформацію. При необхідності об'ємна модель може бути перетворена в геометричний, або графічний образ, що відображується на кресленнях. Також завдяки інтегрованості даної моделі, одночасно різні користувачі можуть визначити інформацію про матеріали, міцністні і фізичні властивості, кольори, об'ємну вагу, вартість, виробника тощо.

Робота експертної системи полягає в послідовному інформаційному насиченні ЦМО, що відображує послідовність автоматизованого проектування, що виконується спільною роботою фахівця і комп'ютера. Завдяки використанню логіки предикатів при представленні знань реалізуються логічні зв'язки між знаннями, і з відомих раніше знань можуть бути отримані нові знання.

Логічний процесор вирішує питання: чи можна на основі вислову А і В, отримати вислів С; чи істин помилковий вислів С при істинності висловів А і В. Якщо ж не можна однозначно визначити істинність чи хибність вислову, застосовується ступінь вірогідності чи коефіцієнт упевненості.

Як приклад опишемо фрагмент бази фактів.

Предикат A: “Матеріал несучих конструкцій – бетон”.

Предикат В1: “Колона - несуча конструкція”. Предикат В2: “Перекриття - несуча конструкція”.

Предикат С1: “Матеріал Колони - бетон”. Предикат С2: “Матеріал Перекриття - бетон”.

Використовуючи логічні зв'язування, запишемо:

Предикат А: (x)(y)(несуча_конструкція(x) бетон (y, x)).

Предикат В1 – B2: (y)(колона) , (y)(перекриття). Предикат С1 – С2: (y) (x)(бетон (y, x)).

В ЕС застосований виконавчий процесор програмного комплексу “Мономах”, що може використовувати спрощені інженерні моделі й уточнені скінчено елементні моделі. У рамках ІЛМО розглянуті принципи побудови моделей обох видів.

У третьому розділі наведені дослідження, пов’язані зі структуризацією знань предметної області проектування складних просторових конструкцій (рис.2).

До складу декларативних знань входять неалгоритмічні знання, що складаються із концептуальних та фактуальних знань.

До фактуальних знань відноситься нормативно-довідкова інформація, що містить дані про характеристики використовуваних будівельних матеріалів, районах будівництва; інформація про конструктивні вимоги, вимоги БНіП. Факти в базі знань упорядковуються у вигляді словника термінів.

Концептуальні знання представляються продукційними правилами наступного вигляду:

консеквент: - антецедент-1, <вага правила>, антецедент-2, <вага правила> … , антецедент- n <вага правила>.

Де антецедентами є предикати, істинність яких можна перевірити, а консеквент – є предикатом, що є істинним, якщо можна довести істинність усіх його антецедентів. І консеквент, і антецедент являють собою булевий вираз, що складається з предикатів над трійкою об'єкт - атрибут – значення. Процедурні знання являють собою сукупність процедур над проблемною областю. Процедурні знання реалізованої ЕС умовно розділяються на дві групи:

– процедурні знання які моделюють роботу експерта з статичного і динамічного розрахунку різних конструктивних схем;

– процедурні знання які моделюють роботу експерта щодо вибору раціональних проектних рішень, зв'язаних з раціональним розміщенням окремих конструктивних елементів.

Модуль придбання знань призначений для накопичування знань про предметну область. Придбання знань може відбуватися як за рахунок уведення нових знань із зовнішнього середовища (нові стандарти, методи, прийоми), так і накопичуванням та узагальненням статистики на основі функціонування проектного комплексу. У процесі автоматичної побудови на основі ЕС різних варіантів конструктивних схем на основі модуля придбання знань заповнюється база знань проектів-аналогів.

У четвертому розділі розглянута методологія концептуального проектування просторових конструкцій і розроблено представлення даних, необхідних для роботи ЕС. Представлення й обробка знань з розміщення конструктивних елементів зв'язано з реалізацією евристичного алгоритму.

Крок 1. Використовуються наступні вхідні дані - найменування будівельних і модульних вісей і відстаней між ними, товщини плити перекриття і товщини стін; мінімальна товщина діафрагм; усереднене рівномірно розподілене навантаження на поверх; контур перекриття та контури отворів; можливі розміри колон, пілонів; схема розміщення обов'язкових елементів.

Крок 2. Визначаються ld,max, ld,min, ls,max, ld,min за формулами (1), (2).

Крок 3. На базі заданих обмежень і з урахуванням наявних обов'язкових фіксованих діафрагм виробляється два спробні розміщення, відповідно (ld,max, ls,max) і (ld,min, ls,mіn) .

Крок 4. Визначаються параметри міцності і деформативності будинку, що відповідають двом граничним розміщенням з використанням виконавчого процесору.

Крок 5. Аналізуються параметри міцності і деформативності та визначаються оптимальні величини (ld,опт, ls,опт).

Крок 6. На базі (ld,опт, ls,опт) виробляється безліч варіантів розміщень вертикальних конструктивних елементів, з яких вибирається n найбільш економічних, які передаються спеціалісту для аналізу і вибору остаточного рішення.

Практично відсутні експериментально-теоретичні дослідження по проектуванню нетипових висотних будівель, у зв'язку з багато екстремальністю і великою кількістю важкоформалізуємих обмежень. Задача по раціональному розміщенню несучих конструктивних елементів одночасно повинна реалізовувати декілька цілей:

– забезпечувати нормативну деформативність будинку на горизонтальні вітрові та сейсмічні впливи;

– забезпечувати міцність і деформативність плити перекриття. (Як правило, товщина плит перекриттів коливається в межах 18-22 см, і при найбільш розповсюдженому навантаженні 1.0 – 1.5 т/м2 відстань між вертикальними елементами лежить у межах 4-8 метрів);

– забезпечувати міцність елементів на вертикальні навантаження;

– враховувати строго фіксовані вертикальні елементи, такі як обрамлення ліфтових шахт та сходових кліток – так звані ядра твердості.

ЕС на підставі загальних відомостей про будинок, отриманих із завдання на проектування, підготовляє вихідні дані для процедури розміщення конструктивних елементів.

Обмеження ґрунтуються на наступних правилах з бази правил типу:

(y)(колона) , (y)(пілон), (y)(діафрагма) ;

(у)(z)(вертикальний елемент(у) контур плити (z));

(х)(z)(отвір(х) контур плити (z)) ; (х)(z)(вузли(х) модульна сітка(z));

(у)(х)(вертикальний елемент(у) отвір(х)).

Предикат С1: “Вертикальний елемент не повинний збігатися з отвором”.

Предикат С2: “Вертикальний елемент не виходить за контур плити”.

Предикат С3: “Колони і пілони розташовуються тільки у вузлах модульної сітки”.

(y)(колона) (y)(пілон) (у) вузли(х, z).

Предикат С4: “Діафрагми розташовуються тільки між вузлами модульної сітки”.

Предикат С5: “Діафрагми повинні збігатися з осями модульної сітки”.

(y)(діафрагма) (у) вузли(х, z) осі (х, z).

Відстань між конструктивними елементами повинні задовольняти обмеження:

20h l 40h, (1)

де: l – відстань між конструктивними елементами;

h – товщина плити перекриття.

Довжина однієї діафрагми не повинна перевищувати 6м, відповідно до вимог технології бетонування вертикальних елементів. Загальна довжина діафрагм уздовж літерних осей (ls) і уздовж цифрових осей (ld) повинна лежати в межах :

; ; ; (2)

де: H – загальна висота будинку;

– довжина фронту по цифрових (d) та буквених (s) вісях.

Обмеження (1) і (2) сформульовані на основі аналізу 25 проектів висотних будинків і ЕС їх коректує на основі знань, що здобуваються.

Фактичні знання про сортаменти арматури і прокатних профілів являють собою реляційну базу даних, постачену пошуковою системою, системою редагування, а також обслуговуючими процедурами полегшуючими використання сортаментів. Розділ фактичних знань – “інформація про аналоги” забезпечує режим роботи, зв'язаний з попереднім призначенням перетинів елементів або з оцінкою підібраних перетинів з наявними аналогами. При запиті до бази знань про призначення перетину залізобетонної балки, що має подібні параметри, процедура по визначенню перетинів попередньо призначає перетин балки, що мається в базі фактів, а потім виробляється необхідне корегування.

Процедурні знання з обробки перетинів конструктивних елементів (рис. 3) містять кілька режимів:

– режим перевірки перетинів;

– режим підбору арматури в перетині залізобетонного елемента (задані зусилля, розмір перетину і матеріал);

– режим підбору розмірів перетину, матеріалу і перетину арматури (задані тільки зусилля);

– режим перевірки перетину сталевих елементів;

– режим підбору перетину сталевих елементів.

Найбільш розповсюдженим та тим, що вимагається, є режим підбору перетину арматури. Його укрупнений алгоритм приведений на рис. 4.

Придбані знання реалізуються на основі аналізу й обробки характеристик перетинів, підібраних у результаті роботи експертної системи з проектування конкретного об'єкта.

У п'ятому розділі розглядаються аспекти, пов'язані з використанням розробленої на основі проведених досліджень підсистеми РАСКОНСЕЛ. На базі розробленої системи та ЦМО (рис. 5) реалізована технологічна лінія (ТЛП) АМАС, де експертна система виконує:

-

-

– після розрахунку кожного варіанта по ПК МОНОМАХ, ЕС обробляє результати розрахунку з метою визначення показників, що характеризують цей варіант;

– на основі порівняння показників відбувається відбір 5-10 (за бажанням користувача) найбільш раціональних варіантів;

– після аналізу показників користувачем - проектувальником і вибору остаточного варіанта – відбувається передача керування системі підрахунку обсягів робіт, а потім системі складання кошторисів.

Настроювання ТЛП на проектування об'єктів будівництва іншого призначення (наприклад, промислових будинків) відбувається на основі підключення інших спеціалізованих програмних комплексів. Схема функціонування ЕС залишається без змін, за винятком того, що в базі знань використовуються інші процедурні знання зі складанню розрахункових схем для розглянутого класу об'єктів.

Для ряду висотних будинків на основі ЕС було виконано від 180 до 230 варіантів конструктивних схем з наступним добором 4 – 5 найбільш раціональних.

На рис. 6 приведені чотири раціональних проектних рішення просторових конструкцій житлового тридцятиповерхового будинку по вул. Клінічної, 10 в м. Києві, де варіант г) є найбільш прийнятним.

Витрати матеріалів для кожного варіанта наведені у таблиці 2.

Створені експертною системою проектні рішення оцінюються за критеріями матеріалоємності будинку і забезпеченню міцності і нормативної деформативності будинку.

Таблиця 2

Витрата матеріалів

Варіант а

Матеріали | Фундаменти | Стіни | Колонии | Плити | Всього

Бетон, м3 | 915,0 | 1615,0 | 1238,0 | 3336,0 | 7104,0 | Арматура, кг | 66850,0 | 160300,0 | 208300,0 | 472310,0 | 907760,0 | Опалубка, м2 | 1410,0 | 11510,0 | 1280,0 | 18535,0 | 32735,0 | Переміщення від вітру (в см) Пб = 20,1(1/545) Пц = 20,8 (1/535)

Варіант б

Бетон, м3 | 910,0 | 1620,0 | 1260,0 | 3336,0 | 7126,0 | Арматура, кг | 65900,0 | 165420,0 | 212300,0 | 470300,0 | 913920,0 | Опалубка, м2 | 1380,0 | 10180,0 | 1340,0 | 18535,0 | 31435,0 | Переміщення від вітру (в см) Пб = 20,7 (1/530) Пц = 21,6 (1/510)

Варіант в

Бетон, м3 | 860,0 | 1590,0 | 1256,0 | 3336,0 | 7042,0 | Арматура, кг | 66500,0 | 159800,0 | 210500,0 | 469300,0 | 906100,0 | Опалубка, м2 | 1391,0 | 10210,0 | 1294,0 | 18535,0 | 31430,0 | Переміщення від вітру (в см) Пб = 19,6 (1/560) Пц = 21,8 (1/505)

Варіант г

Бетон, м3 | 968,0 | 1634,4 | 1238,1 | 3336,4 | 7176,9 | Арматура, кг | 60375,0 | 164330,0 | 211530,0 | 468800,0 | 905035,0 | Опалубка, м2 | 1430,0 | 10150,0 | 1311,0 | 18535,0 | 31426,0 | Переміщення від вітру (в см) Пб = 19,1 (1/570) Пц = 22,2 (1/490)

При аналізі й узагальненні згенерованих варіантів були використані дані нормативної деформативності будинку, яка дорівнює 1/500 висоти, та інші нормативні матеріали.

У результаті аналізу проведених досліджень (рис.7) встановлена область раціональних варіантів, тобто раціональними вважаються такі варіанти конструктивних схем, котрі задовольняють нормативній жорсткості будинку та мають для більшості конструктивних елементів найменші витрати матеріалів.

Критерієм приведеної матеріалоємності є вартість, в яку не включається вартість виконання робіт.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

Автору належить розробка структури цифрової моделі об'єкта проектування.

2.

Автором розроблена модель бази знань в області просторових конструкцій.

3.

4.

Автором виконані дослідження способів представлення знань о просторових конструкціях, запропонована методика предикатного представлення знань.

5.

6.

7.

8.

Автором запропонована процедура пошуку рішень та застосування обмежень при виникненні численних рішень.

9.

10.

Автором запропонована концептуальна модель бази знань.

АНОТАЦІЯ

Барабаш Марія Сергіївна. Методи та засоби експертної системи вибору раціональних проектних рішень просторових конструкцій. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.12 – “Системи автоматизації проектувальних робіт”. – Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України. - Київ, 2003.

Дисертацію присвячено питанням розробки нових інформаційних технологій проектування на основі функціонування експертної системи вибору раціональних проектних рішень просторових конструкцій. Основними задачами дослідження були: аналіз проектування просторових конструкцій об'єктів будівництва в основному житлових, цивільних і промислових будинків і виявлення видів знань на різних етапах проектування; аналіз ступеня формалізуємості різних етапів проектування просторових конструкцій з метою виявлення важко формалізуємих етапів і визначення можливих шляхів їхньої алгоритмізації; вибір і обґрунтування методів і засобів процедурних знань, що забезпечують вибір проектних рішень; вибір і обґрунтування структури і методів створення цифрової моделі об'єкта проектування.

Ключові слова: експертна система, інформаційно-логічна модель об’єкта, база знань, цифрова модель об’єкта, проектні рішення, просторові конструкції.

АННОТАЦИЯ

Барабаш Мария Сергеевна. Методы и средства экспертной системы выбора рациональных проектных решений пространственных конструкций. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.12 – “Системы автоматизации проектных работ”. – Киевский национальный университет строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины. - Киев, 2003.

Быстрое развитие технических платформ и операционных сред современных компьютеров обуславливает возможность применения новых концепций интеграции, основанных на цифровой модели объекта (ЦМО), являющейся полным виртуальным отображением проектируемого объекта. В этом случае процесс проектирования будет сводиться к последовательному наполнению базы данных виртуального объекта различными программными комплексами и автоматизированными системами, которые в свою очередь будут тесно взаимодействовать с этой базой данных, извлекая из нее необходимую информацию для своей работы. Необходимым условием эффективного создания и дальнейшей работы с “виртуальным объектом” является наличие экспертной системы.

В диссертационной работе разработана система, обеспечивающая интеллектуальную поддержку вариантного проектирования, оценивать полученные варианты, отбирать из них наиболее рациональные, предоставив специалисту исчерпывающую информацию для выбора приемлемого варианта.

Первым научным результатом работы является выявление степени формализуемости процесса проектирования и выбор модели представления знаний исследуемой предметной области. В результате проведенного анализа существующих моделей представления знаний в ЭС выбрана продукционная модель, использующая логику предикатов.

Вторым научным результатом является разработанная структура информационно-логической модели (ИЛМ) объекта для описания предметной области “Проектирование сложных пространственных конструкций”. Сформирована функциональная схема экспертной системы на основе информационно-логической модели объекта проектирования, включающей цифровую модель объекта (ЦМО) и компоненту принятия решений, исполнительный процессор, базу знаний и подсистему логического вывода. Разработаны и реализованы логические связи между знаниями при формировании ИЛМ объекта.

Третьим научным результатом является структура базы знаний подсистемы выбора рациональных проектных решений пространственных конструкций, включающая блоки понятийных знаний, декларативных знаний, процедурных знаний, модуль приобретения знаний. Описана структура классификации знаний. Рассмотрены вопросы представления и обработки декларативных и процедурных знаний предметной области. Описаны пути и задачи приобретения знаний. Разработан модуль приобретения знаний. Разработана стратегия обратного поиска выбора решений для обоснования проектных решений, получаемых средствами ЭС.

Представлена математическая модель задачи расстановки элементов в проектируемой пространственной конструкции. Разработаны процедуры по обработке знаний о расстановке конструктивных элементов и по обработке знаний о сечениях конструктивных элементов. Предложен подход по построению экспериментальной модели базы знаний по прочностным и деформационным свойствам материалов.

Реализована экспертная система, основанная на широком использовании ЦМО, структура которой позволяет организовать технологию проектирования пространственных конструкций. На основе разработанной экспертной системы и ЦМО реализована технологическая линия (ТЛП) АМАС. Приведены примеры конкретных проектов, разработанных на основе ЭС, в которых приводятся результаты выбора рациональной конструктивной схемы.

Ключевые слова: экспертная система, информационно–логическая модель, база знаний, цифровая модель объекта, проектные решения, пространственные конструкции.

ABSTRACT

Barabash Maria Sergiivna. Methods and tools of expert system for selection of reasonable design solutions for spatial construction. - Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree in speciality 05.13.12 – Computer-aided design software. Kyiv National University of Construction and Architecture under the Ministry of Education and Science of Ukraine. - Kyiv, 2003.

The paper deals with aspects of development of new information technologies of design based on expert systems for selection of reasonable design solutions for spatial construction. The main tasks of the research were:

-

-

-

-

Key words: expert system, infological model of the object, knowledge base, digital model of the object, design decisions, spatial construction.