1.2. Системотехника строительства

Строительство, как уже отмечалось, имеет ряд серьезных отличий от других отраслей. В первую очередь, это связано с тем, что выпускаемая им продукция достаточно жестко оказывается привязанной к требованиям соответствующих производств.

Быстрое усложнение инженерной деятельности в последние десятилетия в полной мере относится и к строительным системам. Наряду с традиционными строительными элементами (конструкции зданий и сооружений, строительные машины, бригады рабочих и т.д.) строительные системы стали включать в себя также элементы современных сложных информационных организационно-экономических и вычислительно-технических систем (экономический механизм хозяйствования, организационные структуры управления, автоматизированные системы планирования, проектирования, управления и т.д.).

Формирование (создание, проектирование, конструирование) подобных строительных систем стало настолько сложным делом, что вызвало быстрое проникновение в строительство новых методов и подходов, в первую очередь, инжиниринговых.

Важнейшей методологической основой инжиниринга является системотехника. Понятие "системотехника" (от англ. Systems Engineering) довольно часто наполняется разным смыслом, имеет много определений и значений. Под "системотехникой" понимают: область науки - направление в кибернетике, самостоятельную научно-практическую дисциплину, комплекс особых теоретических и практических вопросов, общую техническую науку о больших системах, методологию проектирования и конструирования больших систем, характеристику особой инженерной деятельности, образ действия, направление мышления, мировоззрение инженера и исследователя.

В целом эти определения не противоречат, а дополняют друг друга. В зависимости от целей анализа, от направления исследования понятие "системотехника" можно трактовать различным образом.

Одновременно происходило определение и уточнение области приложения системотехники в строительстве. Системотехника строительства, используя достижения многих научных и прикладных дисциплин, постоянно нуждается в "привязке" их к требованиям и особенностям строительных систем.

Под системотехникой строительства, как правило, понимают научно-техническую дисциплину, охватывающую комплексно и во взаимосвязи стыковые вопросы проектирования, создания, функционирования и развития строительных систем, т.е. систем, сформированных для достижения определенного результата в строительстве.

Системотехника, являясь, по сути, инженерной дисциплиной, должна быть привязана к конкретной инженерной деятельности. Как не может быть технических систем вообще, а могут быть лишь системы в конкретной области инженерной деятельности, так и системотехника строительства всецело определяется объектом приложения - строительными системами.

Организация проектирования строительных, как и других сложных систем, может быть разделена на две стадии, имеющие существенные отличительные особенности:

- макропроектирование (определяется структура системы в целом и функциональные связи ее с внешним миром);

- микропроектирование (конструируются элементы системы).

Макропроектирование, или, как его еще называют, внешнее проектирование, является наиболее ответственной и сугубо системотехнической стадией. Макропроектирование осуществляют инженеры-системотехники, которые должны представлять функционирование системы в целом и уметь расчленить ее на отдельные элементы (подсистемы). А поскольку сложные строительные системы состоят из неоднородных элементов (технических, технологических, экономических, организационных, социологических, психологических и т.д.), то инженер-системотехник должен достаточно глубоко разбираться во всех элементах и обладать разносторонними специальными знаниями.

Главное состоит в видении системы в целом, в правильном определении цели ее функционирования, структуры, критериев, ограничений, внешних и внутренних связей. На сегодняшний день макропроектирование является скорее искусством, чем наукой, и от этого искусства зависит эффективность системы в целом.

На следующей стадии - микропроектировании, или внутреннем проектировании системы, - необходимы узкие специалисты по отдельным элементам строительной системы (экономисты, строители, архитекторы, конструкторы, механики и т.д.).

В целом проектирование сложных строительных систем требует особой организации, взаимодействия не только разных специалистов, но часто и разных коллективов, проектирующих и изготовляющих отдельные элементы системы.

Разнообразие функций и широкий круг участников строительства предопределяют высокую интенсивность информационных потоков на всех этапах инвестиционного цикла. При этом основной инжиниринговой задачей информатизации строительного комплекса является организация этих потоков, их стыковка, взаимоувязка, исключение дублирования информации, обеспечение ее непротиворечивости.

Таким образом, можно говорить о том, что системотехнические задачи в строительстве - это задачи информатизации отрасли. Задача системотехники, как междисциплинарной науки, призванной логически объединить все инженерные дисциплины на уровне макропроектирования строительных систем, систем информатизации строительной отрасли. Системотехника в строительстве - научно-техническая дисциплина о строительных системах (технических, организационных, экономических) и межсистемных связях.

Системотехника рассматривает комплексное использование методологических основ в практике проектирования и строительства, практике создания и использования систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем управления, интегрированных систем информатизации.

Методологической основой системотехники является ряд системотехнических принципов и критериев, закладывающих основу для комплексного анализа строительных инжиниринговых систем.

В качестве базовых в системотехнике строительства рассматриваются и анализируются следующие наиболее общие концептуально-методологические принципы:

- функционально-системный;

- вероятностно-статистический;

- имитационно-моделирующий;

- интерактивно-графический;

- инженерно-экономический.

В рамках функционально-системного подхода строительная система представляется как иерархия целей. В качестве основного системообразующего фактора выступает результат, цель функционирования.

Такой подход позволяет по-новому проектировать сложные системы на основе оценки адекватности используемой модели по степени отражения заданного результата. При оценке надежности функционирования системы в данном случае уходят от механического резервирования и дублирования элементов, а рассматривают возможности структурной перестройки и функциональной подмены одних элементов (ненадежных, отказавших) другими элементами, выполнявшими ранее другие функции.

Вероятностно-статистический принцип в качестве методологической основы системотехники строительства отражает тот факт, что одной из базовых концепций современного научного мировоззрения является вероятностное и статистическое представление изучаемых объектов, включение фактора массовости при системном рассмотрении объектов. Отсутствие учета вероятностного, стохастического характера строительного производства привело к неадекватности моделей, к ненадежности большинства организационно-технологических, экономических, управленческих решений. Основой вероятностного подхода является представление о распределениях случайных величин, которыми опосредуются зависимости между свойствами исследуемых объектов. На этой базе разрабатываются модели теории вероятностей и математической статистики.

Использование имитационно-моделирующего принципа определяется усложнением систем и невозможностью натурного эксперимента. С другой стороны, развитие вычислительной теории и техники позволяет проводить моделирование и машинную реализацию больших систем. В строительстве с его сложными организационно-технологическими и управленческими структурами математическое моделирование становится единственно возможным методом исследования.

Интерактивные системы позволяют решать многие трудноформализуемые задачи. Формальные компоненты передаются на ЭВМ, а неформальные остаются прерогативой человека и легко корректируют и дополняют формальные компоненты через диалоговый режим взаимодействия человека с ЭВМ, осуществляемый по ходу решения задачи. Появляется возможность отказаться от традиционной "точной" процедуры оптимизации и перейти на "приближенную" на основе модельного эксперимента путем постановки вопросов типа "что, если...?". Графическое представление информации в интерактивных системах обеспечивает компактность и высокую информативность документов.

Инженерно-экономический принцип состоит в создании моделей, позволяющих использовать обратную связь на стадии проектирования и планирования, разработку надежных формализованных и нормированных оценочных процедур как средства экономического исследования качества и прогрессивности решений в строительстве.

Таким образом, необходимость конструирования большого количества разнообразных строительных систем определяет активное развитие системотехники строительства как научно-инженерной методологии эффективного проектирования, конструирования, функционирования строительных систем и межсистемных связей, обладающих большим разнообразием и индивидуальностью.

Важнейшим фактором, существенно усложняющим комплексное решение инжиниринговых задач для всех сложных систем, а для строительства особенно – это многокритериальность. Фактически все проблемы, стоящие перед специалистами в области строительного инжиниринга, описываются огромным количеством показателей. Особую сложность вызывает то обстоятельство, что многие критерии, характеризующие цели строительных систем, являются противоречивыми. Оптимизация одного критерия обязательно ухудшает характеристики другого.

В операционных исследованиях принятие решения сводится к выбору из альтернатив, которыми располагает лицо, принимающее решение. Полное решение проблемы возможно в результате анализа всех факторов, влияющих на выбор решения. К ним можно отнести:

- большое число показателей качества (векторный критерий);

- нечеткость определения критерия;

- неопределенность условий в момент принятия решений;

- особенности человека, который в зависимости от различных факторов может принимать субъективное решение.

Первые 3 фактора поддаются количественному анализу.

Можно ввести формальную классификацию задач:

1. По критерию:

- однокритериальные;

- многокритериальные;

- с количественным критерием;

- с вербальным критерием.

2. По условиям неопределенности:

- полная неопределенность;

- стохастические задачи;

- полная определенность;

- задачи в условиях критических ситуаций.

Сформулированы типовые схемы решения многокритериальных задач:

1. Пусть F₁(x), F₂(x), …, F_n(x) – частные критерии. Обобщенный критерий формулируется как средневзвешенное значение:

, где

W_i(x) – весовая функция.

2. Обобщающий критерий формируется с помощью правил алгебры логики:

или

3. Обобщающий критерий формируется с учетом вероятностной трактовки частных критериев:

4. Обобщающий критерий (как правило, для лексико-графических задач) формируется путем упорядочивания частных критериев по какому-либо признаку. Далее для каждого критерия формируется условная задача оптимизации, т.е. один из критериев принимается в качестве целевой функции, а остальные – в качестве ограничений. После решения этой совокупности задач осуществляется анализ непротиворечивости полученных решений. Если решение непротиворечивое, то оно принимается за окончательный результат. Иначе критериям более низкого ранга могут формулироваться более жесткие ограничения.

Одним из средств формализации процесса принятия решений является математическая теория полезности. Это аксиоматическая теория, где аксиомы сформулированы согласно здравому смыслу и позволяют оценивать результаты с количественным и качественным исходами. Аксиомы формулируются на основе понятия "полезность". Для количественных показателей более полезному результату соответствует большее число. Для качественных – "это оценивается больше, чем то".

Аксиома 1. Если результатам x_i, x_j поставлены в соответствие численные меры u(x_i), u(x_j) то x_i предпочтительнее x_j, если u(x_i)>u(x_j).

Аксиома 2 (Транзитивность). Если u(x_i)>u(x_j), u(x_j)>u(x_k), то u(x_i)>u(x_k).

Аксиома 3 (Линейность). Если для x справедливо (1-k)x₁+kx₂, то

u(x)=(1-k)u(x₁)+ku(x₂), k[0;1].

Аксиома 4. Если u(x₁, x₂) – полезность от совместных действий, то

u(x₁, x₂)= u(x₁)+ u(x₂)

Пусть x₁, x₂, x₃, …, x_n – возможные результаты. По данным экспертных оценок полезности - u(x₁), u(x₂), u(x₃), …, u(x_n). Требуется определить более предпочтительный результат. Методический подход к решению задачи состоит в проверке непротиворечивости возможных решений. Для этого составляется таблица со всеми возможными комбинациями. Проверяют исходы, соответствующие комбинациям таблицы на непротиворечивость аксиом. Если противоречий нет, то наиболее приемлемый результат: u(x_k). Если есть противоречия, то согласуются они по величине полезности. После этого проверку повторяют.

Различным образом принимают решение в различных условиях определенности.

В условиях определенности, при одном скалярном критерии задача решается тривиально, как задача на отыскание условного экстремума целевой функции. В случае векторного критерия решение принимается по обобщенному критерию.

В условиях неполной определенности задача возникает в случае, когда имеет место множество решений {x_i} и множество исходов {S_j}. Известны полезности исходов u{S_j} и распределение вероятностей исходов p_ij=p(S_j / x_i). Эти данные могут быть записаны в таблице. В этом случае решение принимается на основе максимизации матожидания полезности:

В условиях полной неопределенности задачи возникают в случаях, когда имеется множество возможных решений {x_i} и множество возможных исходов {S_j}. Известны также функции полезности u(S_j, x_i). Решающее правило может формулироваться на основе следующих критериев:

а) Критерий Вальда.

Решающее правило: среди возможных исходов выбираются самые невыгодные, а среди них – наибольший:

б) Критерий Гурвица.

При определении решающего правила по поводу условий высказывается гипотеза о том, что самые выгодные исходы могут наступать с вероятностью α, а самые невыгодные – с вероятность 1- α.

Решающее правило: выгодным исходам оказывается доверие α (их максимизируют), а невыгодным – (1- α) (их минимизируют):

в) Критерий Лапласа.

Все исходы равновероятны.

Решающее правило: максимизация средневзвешенной полезности:

г) Критерий Севиджа.

Минимизируются потери, которые могут возникнуть от принятия худшего решения по сравнению с наилучшим.

Для определения решающего правила строится матрица сожалений:

Решающее правило:

- критерий Вальда для матрицы сожалений.

Другим, альтернативным походом к решению многокритериальных задач является замена группы противоречивых критериев одним, обобщающим критерием, включающим в себя целый комплекс характеристик анализируемой системы. Подобные критерии называют системотехническими.

Группа наиболее часто используемых системотехнических критериев для строительных систем представлена на рис. 1.2.1.

Критерий адаптивности предназначен для оценки приспособленности объекта к периодической реконструкции, совершенствованию технологии и строительных параметров на стадии его эксплуатации, реконструкции, расширения, а часто и на стадии его строительства.

Рис. 1.2.1. Система системотехнических критериев

Величина критерия может измеряться как разность между количеством связей между переменными, отражающими изменчивые требования научно-технического прогресса, и количеством связей между переменными, характеризующими проектные решения. Чем меньше эта разность, тем адаптивность объекта больше и решение эффективнее. Разнообразие постоянной системы переменных тем больше, чем меньше связей между переменными (каждая связь накладывает ограничения на разнообразие состояний).

Критерий организованности позволяет проводить выбор наиболее рациональных методов организации строительного производства. Отдельных разрозненных показателей, оценивающих качество организации строительного производства, около ста. Для комплексной оценки предлагается обобщенный показатель, базирующийся на оценке непрерывности, равномерности, совмещения, ритмичности и интенсивности строительных процессов.

Критерий технологичности оценивает совокупность технических свойств объемно-конструктивных решений строительных объектов, характеризующих их соответствие требованиям строительного производства и эксплуатации.

Рассматривается (в зависимости от уровня иерархии):

- общая технологичность (комплексная характеристика изготовления, транспортирования, возведения строительных конструкций, монтажа технологического оборудования и эксплуатации здания);

- строительная технологичность (комплексная характеристика изготовления, транспортирования, возведения строительных конструкций);

- монтажная технологичность (характеристика монтажа строительных конструкций).

Оценка технологичности проводится, как правило, на базе экспертных систем, современных достижений экспертного анализа.

Критерий организационно-технологической надежности оценивает способность организационных, технологических, экономических решений обеспечивать достижение заданного результата строительного производства в условиях случайных возмущений, присущих строительству как сложной стохастической системе.

Сложность поведения, функционирования, развития системного объекта проявляется не только в том, что он, как правило, состоит из большого числа частей, элементов, относительно обособленных подсистем, богатого многообразия различных связей и отношений. К наиболее сложным типам систем относятся целенаправленные системы, поведение которых подчинено достижению определенной цели, и самоорганизующиеся системы, способные в процессе своего функционирования гибко изменять свою организацию, структуру. Причем, для многих систем характерно существование разных по уровню, часто не согласующихся между собой целей, кооперирование и конфликт этих целей и т.д.

Главной отличительной особенностью строительных систем, в отличие от систем технологических, является их организационный характер. В производственном процессе объединяются технические и социальные системы. Взаимодействие этих систем, носящее стохастический характер, совершенно не учитывается ни в выпускаемой организационно-технологической документации (проекты организации строительства, проекты производства работ), ни в имеющейся нормативно-справочной базе (строительные нормы и правила, единичные расценки и т.п.).

Критерии взаимосогласованности и развертываемости являются качественными и известны опытным проектировщикам на интуитивном уровне. На ранних стадиях проектирования, когда количественные оценки, как правило, затруднены, проводится анализ потенциального взаимодействия различных подсистем объекта.

Критерии универсальности и результативности характеризуют широту диапазона возможностей объекта (универсальность) и степень реализуемости этих возможностей (результативность). Рост универсальности и результативности может служить общей характеристикой научно-технического прогресса в проектировании и строительстве.

Эти критерии могут измеряться различным образом. В проектировании самый простой способ подсчета универсальности - определение количества проектировочных переменных, а самый простой способ подсчета результативности - свертывание оценок качества проекта по каждой переменной в общую оценку.

Критерий управляемости как оценка качества реакции системы на управляющие воздействия определяется основными характеристиками систем управления, обратными связями, поведением и взаимодействием управляющей подсистемы и объекта управления.

Таким образом, можно сделать вывод, что значение системотехники постоянно возрастает в связи с необходимостью конструирования большого количества разнообразных инжиниринговых строительных систем. Поэтому требуется активное развитие системотехники строительства как научно-инженерной методологии эффективного проектирования, конструирования, функционирования строительных систем и межсистемных связей, обладающих большим разнообразием и индивидуальностью.