ИТ в стр_лекции Пеньковский

УДК681.518

Рецензенты: зам. главного инженера ЛенНИИпроекта Т. Л. Соколова; ген. директоргруппыстроительныхкомпанийООО«Маяк» – ООО«ЛенСпецСтрой», зам. директорапонаучнойработеИПУРСеверо-Западногорегиона, д-ртехн. наук, проф. Д. О. Астафьев

Пеньковский Г. Ф.

Основы информационных технологий и автоматизированного проектированиявстроительстве: конспектлекций/ СПбГАСУ. – СПб., 2008. – 150 с.

ISBN 978-5-9227-0124-2

Конспектлекцийсостоитиздвухчастейинаписанвсоответствиисрабочими программами дисциплин «Информационные технологии проектирования» и«Системыавтоматизированногопроектированияобъектовстроительства». Предназначен для студентов специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство».

Табл. 13. Ил. 79. Библиогр.: 42 назв.

Рекомендовано Редакционно-издательским советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия.

ВВЕДЕНИЕ

Повышение роли информации и возможностей ее переработки с помощью вычислительной техники во второй половине XX века ставит перед человеком проблемы оценки эффективности использования информации, ееколичестваикачествавинтеллектуальнойдеятельности человека. Невозможно напрямую связать материальные результаты труда с затратами умственных усилий. Пока не придумали единиц измеренияэтоготруда. Мыдовольствуемсяэкспертнымиоценкамитипа«человек стоит столько, сколькозарабатывает». Трудно оценить работу врача, артиста, художника, журналиста и многих других работников, занятых в информационных технологиях, в которых работа с информацией определяетуспехдела вобластисозданиядуховныхиматериальныхценностей.

При подготовке специалистов в учебных заведениях количество предоставляемой им информации отражается составом изучаемых дисциплин, а качество информации – в оценках за обучение. В работе специалистовпонятияколичестваикачества информациичетконеразделяются, работа оценивается интегральным показателем качества этой работы.

В этих условиях все более актуальной становится необходимость разобраться в таких понятиях, как количество и качество информации, эффективность информационных технологий, соотношение целесообразныхзатратинтеллектуальноготрудаиполученныхврезультатеценностей.

С развитием научно-технического прогресса повышается роль информационных технологий во всех отраслях народного хозяйства, в том числе и в строительстве, при разработке проектной документации, при управлении строительным производством. Хорошо продуманные и успешно реализованные проектные решения дают возможность создавать надежные, безопасные и эффективно функционирующие сооружения.

Даннаяработа подготовленаавторомдлястудентовспециальности «Промышленное и гражданское строительство» с учетом опыта преподавания дисциплин «Информационные технологии проектирования», «Основы автоматизированного проектирования» и «Системный анализ и моделирование систем в строительстве».

I.ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

1.Основные положения теории информации

1.1.Понятие об информации, информационных технологиях

иинформационном обществе

Понятиеобинформацииучеловекапоявилосьсизобретениемписьменности и означает сведения об окружающем мире, зафиксированные накаком-либо носителе. Некоторыеавторы[10] полагают, чтоинформация является первичным понятием так же, как материя или энергия ивстрогомсмысленеимеетопределения, хотяиобладаетопределенными свойствами. Другие авторы [1] понимают под информацией различные сообщения, зафиксированные искусственно созданными знаками, доступные восприятию и пониманию аудиторией, на которую они рассчитаны. Между тем заметим, что природой задолго до человека были созданы совершенные механизмы получения, хранения и переработки информации (недоступные пока для человека несмотря на все его успехи в создании современной вычислительной техники). Достаточно указать на механизмы в животном и растительном мире, существующие на внутриклеточном генетическом уровне.

Поэтому информацию следует понимать в самом широком смысле слова как любые сведения об объектах и процессах в окружающем мире, отраженные и зафиксированные каким-либо способом и необязательно понятные человеку.

По степени доступности для человека информацию можно разделить на три разновидности (рис. 1).

Рис. 1. Разновидности информации

Информациядляширокойобщественностинетребуетееспециальной подготовки. Источниками информации являются газеты, радио, телевидение, т. е. средства массовой информации.

Информация для узких специалистов может быть понятна только людям, имеющимпрофессиональнуюподготовкувопределеннойотрасли науки и техники. Она может быть секретной, предназначенной для определенного и ограниченного круга лиц.

Зашифрованнаяинформацияможетсодержатьсявдошедшихдонас пока не расшифрованных образцах письменности. Это может быть информация о природных явлениях, зафиксированная в строении земли, в строении живой клетки, еще не познанная человеком.

Информационныетехнологиипредставляютсобойтехнологическиепроцессысбора, обработкиипередачиданныхдляполученияновой информации, используемой в материальном производстве. Информация в таких технологиях является исходным сырьем, а также конечной продукцией производства.

Развитие научно-технического прогресса приводит к интенсивному росту объема информации. Ее объем удваивается каждые десять лет. Изобретение и совершенствование вычислительнойтехники, позволяющей хранить и быстро обрабатывать огромные массивы информации, способствовало повышению эффективности и развитию информационныхтехнологий, повышениюихроли вовсехотрасляхнародногохозяйства. Человеческое общество интенсивно развивается от индустриального с его научно-техническим прогрессом к постиндустриальному с развитием сферы обслуживания и далее, к информационному обществу. Такоеобществохарактеризуетсятем, чтовнемглавнымпродуктом производства являются знания, информация, информационные услуги. И все отрасли, связанные с их производством, растут более быстрыми темпами, доминируют в экономическом развитии стран [4]. Информация становится ресурсом страны, который не истощается со временем, как другие материальные ресурсы, а наоборот, возрастает и становится показателем уровня страны.

Наша страна пока находится на уровне постиндустриального общества, ноопытпередовыхстранпоказывает, чтомынеизбежнопридем к информационному обществу. Доля населения, занятого в информационныхтехнологияхвовсеммире, имееттенденциюкростуиужесейчас составляет более 50 % [14].

1.2. Свойства информации

Разновидностиинформации, связанныесопределениемистепенью доступности, уже рассмотрены ранее. Здесь укажем на те свойства информации, которые имеют большое значение для применения в информационных технологиях. Основные из них следующие.

1.Нематериальность информации. Однако при различном ее ис-

пользовании она может оказывать большое влияние на эффективность материальныхпроцессов и, более того, сама может обмениватьсяна материальные ценности.

2.Субъективностьинформации. Еезначениезависитотсубъекта, обладающего информацией, от его профессиональной готовности к работе с информацией. Субъективность информации всегда относительна

иприпереработкеможетстановитьсяобъективнойвразличнойстепени.

3.Различная ценность информации, зависящая от ее полезности для решения конкретных задач. При этом возможно старение информации или изменение актуальности ее использования.

4.Независимость содержания информации от способов ее полу-

чения, представления и передачи, которые могут вносить искажения в информацию, отражаться на ее достоверности и полноте.

5.Условностьразделенияпонятийколичестваикачествавоцен-

ке информации. Полная, подробная, достоверная ипредставительная по количеству сообщенийинформация получаетболее высокую оценкукачества, чем информация отрывочная и не полная.

6.Неподчинение информации законам математической логики

(законам аддитивности, коммуникативности, ассоциативности). Содержание и смысл информации зависят от полноты и последовательности отдельных сообщений, от их взаимной зависимости и влияния на цели работы с информацией. Комплекс сообщений обладает свойством целого быть больше простой суммы составляющих.

Заметим, чтосвойстваинформацииявляютсясвойствамиабстрактных систем, создаваемых человеком в теории системного анализа для обоснования принимаемых решений [8]. Основные принципы системного подхода – принципы цели, целостности и сложности, справедливы

идля информационных систем.

Например, для книги, являющейся источником информации для читателя, принцип цели реализуется общей направленностью ее содержания, отраженной в названии книги. Цель книги как системообразую-

щего фактора – определить состав глав и разделов как элементов системы. Принцип целостности проявляется в выделении книги из общего массива книг и во взаимодействии всех глав между собой в сознании читателя, что и обеспечивает формирование нового качества – общего впечатления от прочитанной книги, которого нет у отдельных глав как элементов системы. Наконец, принцип сложности проявляется в иерархическом построении структуры книги. Иерархия элементов книги следующая: символ (буква, знак), слово, предложение, абзац, глава, книга.

1.3. Виды работы с информацией

Создание теории информации исторически связано с потребностямиврешениипроблемпередачиинформациипоразличнымканаламсвязи. Этим проблемам посвящены работы Н. Винера, А. Н. Колмогорова, К. Шеннона[3, 8, 15]. Простейшаясхемапередачиинформациипоканалам связи показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема передачи информации

Источник информации передает ее адресатув виде сообщений, которыекодируютсяспециальнымиустройствамидлякомпактной передачи сигналами по линиям связи. После приема сигналов, их декодирования и устранения помех сигналы преобразуются в сообщение для адресата.

В общем случае работа с информацией представляет собой следующие разновидности.

1. Получение информации. Этот процесс является следствием наблюдения за окружающими предметами, явлениями природы, исследований их взаимосвязей. Информация может быть получена из системы хранения или по каналам связи от другого источника информации.

2.Передача информации. Как видно из схемы передачи информации(см. рис. 2), процедурапередачивключаетвсебякодированиеираскодирование сигналов, передачу и прием сигналов, передачу сигналов по каналамсвязи– электрическим, электромагнитным, световым, механическим, звуковым, с помощью провода, световода или без их использования.

3.Переработка информации. В информационных технологиях переработкаинформацииосуществляетсяполучателеминформации(адресатом) всоответствиисзадачамиэтихтехнологий, сприменениемили безприменениясредствавтоматизации. Всовременныхтехнологияхдля этой цели используется вычислительная техника четвертого и пятого поколений с большой памятью и скоростью проведения операций.

4.Использование информации. Конечной целью всех видов работ с информацией является ее использование в конкретных производственных или политических процессах – начиная от создания этих процессов (проектирования), их организации и управления процессами до получения нужного результата.

5.Хранение информации. Как важный ресурс информационного общества информация требует бережного отношения к своей сохранности и готовности к использованию. Фиксируется и хранится информация на различных носителях, которые могут быть:

а) бумажными – печатные издания, рукописные работы; б) пленочными – кинофильмы, диапозитивы; в) пластмассовыми – диски, пластины; г) магнитными – диски, ленты;

д) оптическими – лазерные компакт-диски; е) биологическими – в растительном и животном мире.

1.4.Оценка количества и качества информации в технике связи

Встатистической теории информации К. Шеннона, используемой

втехнике связи, количество информации оценивается степенью снижениянеопределенностисостояниянекоторойсистемыпослепоступления

внее соответствующего количества информации.

Неопределенность состояния системы характеризуется заимствованным из молекулярной физики понятием – энтропией[3, 13].

Количество информации определяется по формуле

где Э( ) – исходнаяэнтропия системы; Э(Ε) – энтропия системы после получения сообщения Ε.

Длясистемы, имеющей N возможныхсостояний, энтропияопределяется по формуле

Вформулах(1) и(2) единицыизмеренияколичестваинформациии энтропии зависят от основания логарифма. При основании логарифма «2» это биты, при основании «e» – наты, при основании «10» – диты.

Формулу Шеннона для энтропии (2) можно записать в таком виде:

Здесь первый множитель Pi характеризует вероятность состояния системы i и ее возможное изменение после получения информации Ε . Второй множитель log1/Pi отражает вероятностную значимость состояниясистемы. Чемменьшестановитсявероятностьсостояниясистемы Pi после получения сообщения Ε, тем больше значение этого сообщения.

Сложность использования формулы Шеннона для оценки количестваикачестваинформациисостоитвтрудностиполучениявероятностныхпараметровформулы. Вкачествепримероврасчетанекоторыеавторы используют результаты подбрасываниямонет, игральных костейили определенияколичестваголубоглазыхдевушексредиблондинок, чтомало подходит для сбора статистики в теории информации.

Структураформул(1) и(2) непретендуетнаописаниевсехсвойств информации, описаных ранее. Сам Шеннон [13] говорит об интуитивномпроисхождениилогарифмическойзаписидлячисласообщений. При этом единицы измерения количества информации и энтропии оказались зависимыми от математической формы записи. Невозможно дать физическое толкование этим единицам, как это можно сделать для всех другихединицизмерения. Такаязапись удобнее вматематическихпреобразованиях, но может быть и другой. Надо отметить, что аналогия между свойствами информации и поведением молекул в молекулярной физике принята без специального обоснования и лишь весьма приближенноот-

ражаетвероятностнуюсторонусвойствинформациивоценкеееколичества. Чтожекасаетсятакогосвойстваинформации, какееценность, полезностьдлярешенияконкретныхпроблем, товнастоящеевремянесуществуеттакихматематическихтеорий, гдеэтосвойствоучитывалосьбы[3].

Врассмотреннойранеесхемепередачиинформации(см. рис. 2) речь идетопередачесигналовввидесообщенийсопределеннымколичеством символов. В технике связи оценивается скорость передачи символов, плотность их передачи по каналам связи, вероятность приема правильных сигналов после устранения помех, после кодирования и декодированиясигналов. Всеэтооченьважнодляпередачиинформации, нолишь косвенно это говорит о количестве информации и совсем ничего о ее свойствах, о качестве информации.

ПоэтомуформулаШеннонадляколичестваинформацииввидеразностиэнтропий(1) имеетглавнымобразомтеоретическоезначение. Практически же в технике связи оперируют не количеством информации,

аколичеством символов, передаваемых по каналам связи.

1.5.Информация в проектировании и управлении строительством

Разработка проектно-сметной документации представляет собой процесс создания информационной модели объекта строительства [11]. При проектировании происходит сбор и переработка информации, энтропия модели как мера неопределенности ее состояния уменьшается по мере накопления в модели необходимой информации и становится минимальной к моменту готовности документации.

Применяя подход Шеннона, рассмотрим процесс формирования модели строительных конструкций вобщемвиде. Полнаягруппанесовместных событий для конструкций может быть представлена двумя событиями:

А1 – когдаусловияпрочностииэксплуатационнойпригодностиудовлетворяютсясвероятностью, равнойвеличиненадежностиконструкций

(P1 = H);

А2 – когда условия не выполняютсяс вероятностью противоположного события (P1 = 1 – H); вероятность P2 отражает риск модели от несоблюденияусловийпредельногосостояниястроительныхконструкций.

Энтропияв натах дляуказанной группысобытий А1 и А2 определяется по формуле (2)

где H – надежность строительных конструкций.

На рис. 3 показано, как меняется энтропия системы конструкций при изменении уровня их надежности от нуля до единицы.

Э, нат

J(∆H)

∆H

H

Рис. 3. Зависимость энтропии от надежности конструкций

ЛеваячастьграфикаприH = 0÷0,5 характеризуетнеопределенность состояния системы относительно нарушения условия надежности. При H = 0, Э= 0. Этозначит, чтоконструкцияразрушаетсяабсолютнодостоверно и неопределенность системы снимается полностью.

Правая часть графика при H = 0,5÷1 характеризует состояние системы, в которомусловие прочности выполняется, и при H = 1 Э = 0. Это означает, что надежность конструкции обеспечена абсолютнодостоверно. Здесь также неопределенность системы снимается полностью.

Для снижения энтропии и повышения надежности системы на величину H (см. рис. 3) в модель системы необходимо ввести информацию в количестве J(H).

На эту величину снимается неопределенность системы. Такой информациеймогутбытьсведения, повышающиедостоверностьисходных данных, сведения о дополнительных ресурсах прочности конструкций, оконкретныхусловияхихработыи условияхзагружения. Действующиминормамипредусмотренонаполнениеинформациеймоделистроительныхконструкцийдотехпор, покауровеньихнадежностистанетнениже 0,999, и неопределенность состояния системы строительных конструкций снимается практически полностью.

Заметим, чтоединицапоступающейинформацииJH), скажемнат, неимеетчеткойсвязисизменениемуровнянадежностиH. Надежность конструкции меняется по-разному в зависимости от различных факторов, содержащихся в информации. Получить математическую зависимостьмеждуколичествоминформациииуровнемнадежностипредставляется весьма трудной задачей, в которой потребовалось бы иметь статистическиеданные овлиянииразличныхфакторовнасостояниеконструкций. Еслиучесть, чтовлияниемногихфакторов(например, удобство эксплуатации, экологичность, эргономичность, технологичность, внешний вид и др.) не поддаются формализации, то их влияние приходится учитывать экспертными методами системного анализа, широко применяемыми для обоснования принимаемых решений в проектировании и управлении строительством [7]. В такой постановке количество информации удобнее представлять в форме, приведенной в учебнике информатики Н. В. Макаровой [4] в таком виде:

гдеС– коэффициентсодержательностиинформации; VD – объемданных информации.

При решении проблем проектирования и управления строительством коэффициент содержательности информации С, отражая разные свойства информации, можетпринимать различные значения. Ценность информации определяет лицо, принимающее решение (ЛПР) на основе экспертныхоценокэтойинформации. Такимобразом, количествополезнойинформациитесносвязанносеекачествомиееценностьювкаждом конкретном случае.

Объем данных VD представляет собой общий объем информации, которым может располагать ЛПР в системах автоматизированного проектирования (САПР) или в системах автоматизированного управления (АСУ). ЭтаинформациясодержитсявбазеданныхСАПРилиАСУ, является информационным ресурсом, из которого ЛПР извлекает полезную для конкретных задач информацию.

Важным для всех видов работы с информацией является вопрос оединицахколичестваинформации. Формула(5) даетвозможностьединицу хранения считать основной единицей количества информации для всех видов работы с нею.

Из опыта хранения информации на различных носителях можно построить следующую иерархию единиц хранения:

знак, символ, бит (байт = 8 бит); страница текста в печатных изданиях; печатный, учетно-издательский лист; печатное издание (наименование работы);

дискета, компакт-диск (суказаниемзанятойисвободнойемкости в байтах);

лента (с указанием длины).

Если объект проектированияили управленияхарактеризуетсямассивом информации из n частей, то полный объемполезной информации для модели этого объекта определяется по формуле

гдеСi – безразмерныекоэффициентысодержательностиi-йчастиинфор- мации, отражающиееесвойства, ценностьдляпроектированияобъекта; VDi – объем данных информации, которую ЛПР имеет возможность извлечь с места хранения в соответствующих единицах хранения.

Процесс наполнения модели объекта информацией при проектировании удобнее характеризовать не энтропией как мерой неопределенности состояния модели, а степенью готовности моделик моментувремени t

где J(t) – объемполезной информации, отражаемой впроекте в качестве готовой части проектно-сметной документации к моменту времени t; Jо – полный объем информации в проекте.

Числительвформуле(7) показываетсколькографическогоматериала и текста отработано из общего объема проекта.

Для организации проектирования необходимо знать затраты труда по формированию модели объекта. Нормативы по затратам труда имеются во всех проектных организациях. Общие затраты труда определяются по формуле

где Ti – затраты труда для i-й части модели.

Формула(7) дляготовностидокументациипотрудозатратампримет

вид

Эффективность проектирования определяется отношениями для i-й части модели:

для модели в целом

Формулы (9) и (10) показывают, сколько чел.-ч затрачивают проектировщикина разработкуединицыготовой продукциив проекте (чертежа, страницы). Сравнение этих показателей с нормативными дает возможностьсудитьобуспешностиработысотрудниковпроектнойорганизации.

Сложнееобстоитделовуправлениистроительством, гдезначительнаячастьинформации, особенноустной, нефиксируется, теряется. Нои здесьесть возможность сравнивать фактические и нормативные показатели выполнениястроительных работ, чтобы вносить необходимые коррективы.

2. Информационные системы и комплексы

2.1. Информационное обслуживание общества

Потребителеминформациивобществеявляетсянаселение, приэтом егоразличные категории пользуются информацией различным образом. Вработе [11] приведенанализструктурынаселениядлянекоторогозамкнутого регионаи показано, что долянаселения i-йкатегорииопределя- ется отношениемпродолжительности нахождениячеловека в этой категории ti к средней продолжительности жизни Т:

Например, если для дошкольников ti = 7 лет при средней продолжительности 70 лет, то долядошкольников в общей массенаселениясоставит

Рис. 4. Структура населения для замкнутого региона

Человек какпотребительинформации, которуюонполучаетизвне, по-разному к ней относится и по-разному оценивает ее полезность для себя в течение своей жизни. На рис. 5 показано это обстоятельство.

Объем данных Vд представляет собой потенциальные возможности человека в овладении имеющейся в обществе информацией, т. е. его тезаурус [6], количество полезной информации J , которое каждый человек определяет для себя сам, выражается в значении коэффициента содержательности C . В первые годы жизни коэффициент C близок к единице – человеку все интересно и он всему учится. После 18–20 лет человек резко сокращает область интересующей его информации. Онузнаетвсебольшеовсеменьшем. Равновесиевэтомпроцессенаступает тогда, когда его потребности становятся равными возможностям.

В30–50 лет человек – узкий специалист в избранной отрасли знаний.

Впенсионном возрасте круг интересов его снова расширяется, но при этом снижаются его физиологические возможности воспринимать и использовать информацию.

U (t)

J CVд

T, лет С

T, лет

Рис. 5. Изменение отношения человека к информации в течение жизни

КриваяU (t) награфикерис. 5, аотражаетпроцесснакоплениязнаний

где K(t) – коэффициент, характеризующий потерю ранее полученных знаний к моменту времени t, K (t) δ 1.

За счет этого параметра кривая U (t) опускается ниже своего максимума для возраста более 40–60 лет.

Зависимости, показанные на рис. 5, имеюткачественныйхарактер, но и втакомвидеони показываютнасколько сложнымявляется процесс получения и использования информации.

Информационное обслуживание населения должно быть построено таким образом, чтобы общий Vд.о (предлагаемой к использованию информации) удовлетворял потребностям всех категорий населения:

где Vдi – предлагаемый объемданныхдля одного человека i-й категории населения; Di – доля категории; N – общее количество людей в регионе.

Категории населения и их доли в структуре населения приведены нарис. 4. Чтожекасаетсяпредлагаемогообъема данныхVдi длячеловека на каждом отрезке его жизни, то здесь нужно учитывать два обстоятельства:

1)сколькособраноинформациипоконкретномунаправлениюразвития научно-технического прогресса;

2)каковыфизиологическиевозможностичеловекаповосприятию этой информации, каков его тезаурус.

Эти обстоятельства приводят к необходимости решать все более острую проблему разрыва между накапливаемой информацией и ее использованием [4]. Другой проблемой является поиск разумного соотношения междусвободным доступом и ограничениемдоступа к информации. Это становится важным в вопросах соблюдения государственной, коммерческойилиличностнойтайны, врешениипроблемответственности, безопасности, цензуры, этики, информационной культуры.

Информационное обслуживание населения осуществляется с помощью информационных систем (ИС), предназначенных для организации хранения, пополнения, поддержки, поиска и представления пользователям информации в соответствии с их запросами [14].

Различаюттригруппыслужбинформации, представляемыеразлич-

ными информационными системами:

информационные системы общего назначения – библиотеки, книжные магазины, средства массовой информации, предприятия культуры;

учебные заведения для подготовки специалистов всех отраслей народногохозяйства. Вэтихинформационныхсистемахработасинформацией является основным видом деятельности;

специальныеинформационныесистемы, которыеявляютсячастью производственно-административных организаций (служб), для которых информация является лишь сопутствующим предметом деятельности, обеспечивающая основное производство. В строительстве такими системами являются службы автоматизированного проектирования и управления (САПР и АСУ).

Далее рассмотримфункциональныесхемыи структурыразличных информационных систем.