Контрольные вопросы:

1. Что понимается под автоматизацией архитектурно-строительного проектирования?

2. Проблемы совмещения формальных и неформальных операций при создании САПР.

3. Способности человека, недоступные машине.

4. Возможности ЭВМ.

5. Задачи разработки языков программирования.

Лекция № 3.Системный подход: основные понятия и определения.

План лекции:

1. Основ­ные элементы системного подхода

2. Понятие системы и ее структура

3. Описание сложных систем

Методология автоматизированного проектирования во многом определяется характеристиками решаемых за­дач. Задачи архитектурно-строительного проектирования обладают всеми признаками сложных систем:

• многообразие структуры (сети, деревья, иерархиче­ские структуры и т.д.);

• многосвязевость элементов (взаимосвязь подсистем в одном уровне и между различными уровнями иерархии);

• многообразие природы элементов (машины, автома­ты, люди-операторы);

• многократность изменения состава и состояния си­стемы (переменность структуры, связей и состава си­стемы);

• многокритериальность (наличие локальных критериев для подсистем и глобального критерия для системы в целом, их противоречивость) (рис. 3.1).

Сложные системы

Многообразие структуры

Многосвязность элементов

Многообразие природы элементов

Многократность изменения состава и структуры

Многокритериальность

Рис. 3.1 Признаки сложных систем.

Для исследования и разработки сложных задач в современной науке используется системный подход. Основ­ные элементы системного подхода:

• формулирование целей системы и установление их иерархии до начала деятельности, связанной с приня­тием решений;

• разработка математических или логических моделей, отражающих содержание целей;

• определение ограничений и требований, накладывае­мых на систему средой;

• разработка различных (альтернативных) способов достижения целей;

• оценка вариантов решений, основанная на всем при­нятом комплексе критериев, всесторонне характеризую­щих варианты;

• правило выбора предпочтительного варианта (рис. 3.2).

В рамках системного подхода выделяют самостоя­тельные научные дисциплины: исследование операций, системотехника, системный анализ, принятие решений. Областью исследования операций служит в основном выработка оптимальных стратегий поведения существую­щих систем; системотехники - проектирование новых, главным образом технических систем. Применение ме­тодов системотехники в строительстве исследуется в на­учно-технической дисциплине системотехника строитель­ства, объекты изучения которой — технические, органи­зационные, управленческие системы и межсистемные свя­зи, содействующие достижению конечного результата.

Как в исследовании операций, так и в системотехнике сравнение вариантов производится аналитическими ме­тодами.

К особенностям системного анализа относится его на­правленность на проблемы, где наряду с количественными присутствуют и качественные факторы.

Основное средство сравнения вариантов в системном анализе - метод «стоимость - эффективность», а основная сфера использования - большие организационные системы.

Методы теории принятия решений базируются на при­знании центральной роли человека и направлены в основном на проблемы, где качественные факторы ока­зывают существенное влияние на решение задачи.

Формулирование целей до начала деятельности

Установление иерархии целей

Системный подход

Разработка моделей

Определение требований и ограничений

Разработка различных

способов достижения целей

Комплексная оценка

вариантов решений

Правило выбора вариантов

Рис. 3.2 Основные элементы системного подхода.

Под принятием решений как научным направлением чаще всего понимают разработку методов, позволяющих человеку

сравнивать или оценивать варианты принимае­мых решений. Современная теория принятия решений располагает развитым математическим аппаратом, по­зволяющим формализовать отдельные предпочтения лиц, принимающих решения, представив их в конеч­ном виде в форме алгоритмов. Необходимость в разработке специальных методов сравнения вариантов при решении сложных задач объясняется тем, что аналити­ческие методы, используемые в исследовании операций, системотехнике, системном анализе, могут быть исполь­зованы только для решения некоторых частей сложных задач, для решения же задачи в целом они непригодны.

Существует множество определений понятия систе­ма. Наиболее распространены из них:

1. система - целостное взаимосвязанное множество объ­ектов, предметов;

2. система - организованное множество структурных элементов, выполняющих определенную функцию;

3. система - порядок (план, классификация), по кото­рому располагается группа понятий для образования единого стройного целого;

4. система - целостное множество объектов (элемен­тов), связанных между собой взаимными отношениями.

Анализируя существующие определения, можно от­метить, что понятие «система» основывается на таких факторах, как наличие множества составляющих элемен­тов, их взаимосвязей, некоторой цели функционирова­ния, среды системы¹. Кроме того, в ряде определений отражено, что система представляет собой элемент си­стемы более высокого порядка, а элементы системы, в свою очередь, существуют как системы более низкого порядка. Названные факторы являются система образующими, т. е. необходимыми для образования систем и, в частности, систем автоматизированного проекти­рования.

Системный подход предполагает обязательный ана­лиз структуры системы. Под структурой понимается со­вокупность элементов системы и устойчивых связей между ними, обеспечивающих ее целостность и тождест­венность самой себе, т. е. сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях.

В целях упрощения исследования, разработки, орга­низации и управления системой она обычно подразде­ляется на более мелкие структурные части — элементы системы.

Таким образом, структура системы может быть опре­делена через понятия «система», «элемент», «связь».

Под элементом системы понимается, как правило, часть системы, неделимая с точки зрения принятого аспекта исследования системы.

Анализ взаимосвязи понятий «система» и «элемент» показывает, что система обладает такой целостностью, при которой каждый ее элемент есть причина и одно­временно следствие состояния другого элемента систе­мы. Вместе с тем, несмотря на относительную самостоя­тельность ее элементов, абсолютная их самостоятель­ность невозможна. Целостность системы обеспечивается посредством связи между ее элементами. Характеристи­ка связи влияет на тип структуры системы.

Связи системы могут классифицироваться, по край­ней мере, на два типа: между однородными элементами и между элементами, находящимися в определенной зависимости. Первый тип связи определяет «горизон­тальную», а второй - «вертикальную» иерархическую структуру. Последовательное вертикальное расположе­ние подсистем, составляющих системы, дает только одну из трех существующих характеристик иерархии. К двум другим относятся: приоритет действий и целей нижне­го¹ уровня по отношению к верхним, с одной стороны, и зависимость действий нижнего уровня от исполнения верхними уровнями своих функций, с другой.

Иерархия - специфический признак сложных систем. Действительно сложную систему невозможно описать полно и детально, не установив отношений иерархии, когда каждый элемент системы выполняет свою функ­цию, которая служит составной частью функции всей системы (рис. 3.3).

Р ис. 3.3 Структура иерархических систем:

а – декомпозиция систем; б – синтез систем.

Таким образом, иерархические структуры позволяют совершить логический переход от целого к части, что повышает вероятность упорядочения всех свойств в соответствии с общими требованиями: чем выше уро­вень иерархии, тем детальнее и конкретнее становится содержание системы, чем ниже – тем яснее общие цели системы.

Следует различать иерархию элементов и иерархию целей. Представление системы в виде иерархии целей означает декомпозицию сложной проблемы принятия ре­шений на более простые, таким образом, что их решение позволяет решить исходную задачу.

Широкое применение в разработке систем автомати­зированного проектирования объектов строительства на­шли принципы кибернетики. Предмет изучения кибер­нетики - сложные системы, способные хранить, переда­вать и преобразовывать информацию.

Один из важнейших принципов кибернетики заклю­чается в том, что все системы рассматриваются с точки зрения возможности формализации, т. е. строгого мате­матического описания процессов, которые связаны с управлением и переработкой информации. Такой подход предполагает широкое использование математиче­ского моделирования.

Метод математического моделирования стал основ­ным и в системах автоматизированного архитектурно-строительного проектирования. Однако не все понятия и процессы в проектировании могут быть описаны ма­тематически.

Моделирование понятий и процессов, которые не под­даются математическому описанию, производится в ки­бернетике с помощью специфического функционального подхода, получившего название «черный ящик».

«Черный ящик» - это система, в которой внешнему наблюдению доступны лишь входные и выходные вели­чины, а внутреннее устройство и характер процессов, протекающих в системе, неизвестны. Пусть на входе системы будут иметь место воздейст­вия х₁, х₂, ..., х_m , а на выходе сигналы у₁, y₂, ..., у_m (рис. 3.4). Если с такой системой провести эксперимент, изменяя входные данные, то, не зная устройства самой системы, можно сделать вывод о том, какие выходные данные будут получены при изменении входных. Таким образом, с помощью метода «черного ящика» сложные системы, полностью не поддающиеся обзору и описанию, можно преобразовать в системы, которые математиче­ски описываются и могут быть представлены в виде программ для ЭВМ.

x₁ y₁

x₂ y₂

: :

x_m y_m

Рис. 3.4 Схема функционирования системы по принципу «черного ящика».

В системах автоматизированного проектирования по­лучили применение и такие понятия кибернетики, как «прямая» и «обратная» связь.

Прямой связью называется связь, посредством кото­рой происходит передача информации от управляющего органа управляющему объекту.

Обратной связью называется связь, посредством ко­торой происходит передача от управляющего объекта управляющему органу информации о состоянии управ­ляемого объекта и о результатах воздействия на него со стороны управляющего органа. Схема функциониро­вания систем с прямыми и обратными связями в самом общем виде изображена на рис. 3.5.

Канал обратной связи

Управляющая система

Объект

управления

Канал прямой связи

Рис. 3.5 Схема функционирования произвольной системы управления.

В такой системе управляющая система воздействует на объект управле­ния по каналу прямой связи и получает по каналу об­ратной связи информацию о результатах этого воздейст­вия. Таким образом, управляющая система не только «знает», как ведет себя управляемая система, но и мо­жет в зависимости от ее поведения изменять свои коман­ды для достижения заданий цели.

Одна из главных проблем, которая разрабатывается в кибернетике, - проблема взаимодействия человека и вычислительной машины. Смысл постановки этой проб­лемы в границах систем автоматизированного проектирования объектов строительства заключается в том, что­бы, с одной стороны, с помощью машины расширить творческие возможности человека-проектировщика, пре­доставив ему новую информацию при решении задач проектирования, а с другой стороны, - освободить проек­тировщика от самых трудоемких операций, которые могут выполняться машиной.

Кроме общих теоретических положений для разра­ботки систем автоматизированного проектирования кон­кретных объектов требуется знание специальной теоре­тической базы, на которой основывается данная область знаний. Для автоматизации архитектурно-строительного про­ектирования такой специальной теоретической базой служат строительные научные дисциплины. К ним отно­сятся основы архитектурно-строительного проектирова­ния: виды объектов строительства, их классификация, требования к объектам; единая модульная система, уни­фикация, типизация, нормализация в строительстве; фи­зико-технические основы проектирования (теплофизика, светотехника, инсоляция, акустика) и т. д.