Николаев Ю. Н. Компьютерные технологии проектирования строительного производства: Системотехника строительства: базовые принципы проектирования, организации и управления строительным производством

Ю.Н. Николаев
Компьютерные технологии проектирования строительного производства
Учебное пособие. – Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2011. – 100 с.

2. Теоретико-методологические и методические основы проектирования строительного производства

2.1. Системотехника строительства: базовые принципы проектирования, организации и управления строительным производством

Теоретическими аспектами, связанными с разработкой методологических основ организации и управления строительным производством занимался Гусаков А.А., он же явился родоначальником нового направления строительной науки – системотехника строительства.

Необходимость развития в строительстве новых методов и подходов системотехники вызвана все большим повышением сложности проектирования, создания строительных систем, зачастую отсутствием системного подхода при решении разнородных задач проектирования, организации и управления строительным производством.

Понятие "системотехника" (от англ. Systems Engineering) обычно наполняется разным смыслом, имеет много определений и значений: научно-практическая дисциплина, область науки, направление в кибернетике, комплекс особых теоретических и практических вопросов, общая техническая наука о больших системах, методология проектирования и конструирования больших систем, специальность инженерного образования, характеристика особой инженерной деятельности, наконец образ действия, направление мышления, мировоззрение инженера и исследователя. В целом они не противоречат, а лишь дополняют и расширяют друг друга.

Условимся под системотехникой строительства понимать 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.

Появление системотехники тесно связано с быстрым усложнением инженерной деятельности в последние десятилетия. По подсчетам специалистов увеличение количества взаимосвязанных организаций или элементов в 10 раз увеличивает число связей и соответственно усложняет управление в 100 раз. Это в полной мере относится к строительным системам, которые стали включать в свой состав наряду с традиционными строительными элементами (конструкции зданий и сооружений, строительные машины, бригады рабочих и т.д.) также элементы современных сложных организационно-экономических и вычислительно-технических систем (экономический механизм хозяйствования, организационные структуры управления, автоматизированные системы планирования, проектирования, управления и т.д.).

Формирование (создание, проектирование, конструирование) таких строительных систем стало настолько сложным делом, что вызвало быстрое проникновение в строительство новых методов и подходов системотехники. Одновременно происходило определение и уточнение области приложения системотехники в строительстве. Строительные системы имеют много специфических особенностей. Поэтому системотехника строительства, используя достижения многих научных и прикладных дисциплин, постоянно нуждается в "привязке" их к требованиям и особенностям строительных систем.

Поскольку оба понятия "система" и "техника", слагающие термин "системотехника", имеют неоднозначные толкования, условимся в соответствии с классическим определением теории функциональных систем под "системой" понимать комплекс избирательно вовлеченных элементов, взаимосодействующих достижению заданного результата. А собирательным понятием "техника" будем отражать совокупность методов и средств формирования строительных систем (вовлечения элементов в систему).

В своей работе [1] Гусаков дал наиболее полное и теоретически обоснованное изложение прогрессивных, оправданных временем концептуальных принципов проектирования строительного производства, к которым были отнесены следующие принципы:

Системообразующим фактором является конкретный результат функционирования системы, тогда система – это комплекс избирательно вовлеченных элементов, взаимосодействующих достижению заданного результата.

В строительных системах, сложность иерархии, множество целей, несоподчиненность и ненадежность критериев по отдельным подсистемам делают весьма актуальной методологию обеспечения в процессе моделирования достоверности и надежности достижения конечного результата.

При моделировании сложных систем в связи с неизбежным компромиссом между простотой модели и сложностью моделируемых объектов значительные методологические трудности представляет оценка адекватности модели реальной действительности. Теория функциональных систем позволяет произвести оценку адекватности модели по степени отражения (достоверности, надежности, комплексности) результата функционирования системы.

Значительно облегчаются и получают методическое руководство такие этапы проектирования системы, как декомпозиция ее на элементы (подсистемы) и определение связей между элементами (степеней свободы). В терминах результата декомпозиция системы может производится только на такие элементы и с такими степенями свободы, которые содействуют достижению заданного результата. Все другие элементы и связи неправомерны и не должны иметь место в системе. Отбрасывая таким образом несущественные для достижения результата элементы и связи, мы получаем методологию формирования обоснованной структуры системы.

Функциональные системы по внутренней архитектонике гетерогенны, т.е. состоят из неоднородных элементов, каждый из которых несет свою функциональную и специфическую нагрузку в достижении результата. С этих позиций, очевидно, правомерно в состав функциональной системы включить такие неоднородные подсистемы, как объемно-конструктивные решения строительных объектов, методы их возведения и управления возведением. Эти подсистемы, в свою очередь, расчленяются на ряд неоднородных элементов, которые до последнего времени рассматриваются разрозненно и вне единой функциональной системы, созданной для достижения общего результата (например это просматривается в принятой методологии и методике проектирования в рамках ПОС и ППР).

Приобретает методологическую конкретность в терминах результата «триада» постановки экономико-математических задач строительного производства: цель – критерий – ограничения. Цель – это заданный результат, критерий – это признак, по которому определяется соответствие этому результату, ограничения – это признаки, определяющие осуществимость достижения результата в заданных условиях. Условившись о единстве результата или иерархии результатов, можно получить стройную классификацию задач, решение которых необходимо в автоматизированных системах в строительстве.

Структура систем, состав элементов, качество и количество связей между элементами, необходимые исходные данные – все эти атрибуты системотехнического подхода не могут и не должны быть жесткими, а, наоборот, должны обладать гибкостью перестройки во имя достижения результата.

Поэтому в функциональных системах строительства должен быть надежным лишь один элемент – результат, все же остальные элементы могут и должны быть способными перестраиваться и изменяться по ходу функционирования системы, если это необходимо для достижения результата. Опять же, реализация данного принципа возможно только при использовании автоматизированных систем проектирования, позволяющих оперативно осуществить перестройку системы в случае возникновения сбоев с обеспечением изначально заданного результата. Понятно, что при изменении тех или иных условий строительства отсутствует возможность корректировки решений в рамках ПОС и ППР, т.е. практически повторной разработки данных документов.

Следовательно, в организационно-технологических и управленческих строительных системах термин «надежность» должен применяться только к результату деятельности системы. Определение надежности в терминах результата предполагает в необходимых случаях для обеспечения заданной надежности структурную перестройку и функциональную подмену одних элементов (ненадежных, отказавших) другими элементами, выполнявшими ранее другие функции.

Как известно, первые работы в области повышения надежности технических систем шли по принципиально другому пути – по пути механического дублирования и резервирования элементов, построения надежных систем из ненадежных элементов.

Одной из базовых концепций современного научного мировоззрения является вероятностное представление изучаемых объектов.

Широко применяемые до последнего времени в организации, экономике, управлении строительством детерминированные методы, как и много лет назад, однозначно определяют события начальными условиями. 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, которыми опосредуются зависимости между свойствами исследуемых объектов. При детерминированном подходе эти зависимости выражаются как прямые функциональные связи. Понятие о распределениях непосредственно связано с понятием о случайных величинах, неопределенным образом меняющих свое значение, которое, однако, имеет устойчивую относительную частоту появления. На основе распределений разработаны модели теории вероятностей и математической статистики.

В строительстве продолжительность, сметная стоимость, трудоемкость и другие показатели являются вероятностными в силу воздействия на них случайных факторов, поэтому они должны характеризоваться распределениями, отражающими вероятности достижения запроектированной величины этих показателей.

Современные технические и более сложные, включающие экономические и социологические аспекты, организационно-технологические и управленческие системы характеризуются определенным уровнем надежности, который существенно снижается по мере усложнения систем. Поэтому исключительно важное практическое значение приобретают точные методы расчета надежности.

Изучение на основе вероятностно-статистического принципа моделей и методов, применяемых для исследования сложных систем, показало, что проблемы строительного производства могут решаться только с помощью вероятностных моделей, в которых рассматриваемые переменные (продолжительность, интенсивность, стоимость работ и др.) являются случайными величинами. При этом надо сразу отбросить предположение, на котором до настоящего времени базируются организационно-технологические науки и согласно которому определенным значениям переменных всегда соответствует одно, поддающееся расчету, значение целевой функции. Значение целевой функции выражается статистическими распределениями, находящимися в стохастической, т.е. вероятностной зависимости от всех статистических распределений значений параметров системы.

Методы имитационного моделирования основаны на компьютерной реализации логико-арифметических алгоритмов моделирования.

Поскольку системы проектирования, возведения строительных объектов, управления строительством относятся к классу наиболее сложных систем как по своей структуре, так и по функционированию, для описания и исследования строительных систем имитационное моделирование является наиболее перспективным и оправданным методом.

Использование диалоговых систем человека и ЭВМ в сочетании с высокими возможностями современной компьютерной техники к графической интерпретации данных позволяют добиться высокой степени эффективности труда инженера-проектировщика, управленца. Использование человеко-машинных систем в исполнении функций планирования, организации, управления и т.п. дает следующие преимущества:

- позволяет отказаться от формализации определенного класса задач и резко расширить круг проблем, решаемых с помощью ЭВМ;

- использует способности человека принимать эвристические решения и повышает эффективность и качество решений;

- ускоряет принятие решений в связи с быстрым обнаружением заведомо неверных путей их поиска;

- обеспечивает визуальный контроль за ходом решения задачи и надежность (достоверность) результатов.

Важное методологическое значение в автоматизированных системах проектирования имеет учет основ инженерной психологии при графическом представлении информации, распределение функций между человеком и ЭВМ и улучшение их взаимодействия.

В условиях решения задач, которые не поддаются полной формализации из-за многокритериальности, отсутствия подходящего математического аппарата или эффективных численных методов решения, неформализуемые или трудноформализуемые задачи остаются за человеком.

К неформализуемым компонентам решения задач человеком относятся интуиция, здравый смысл. В интерактивном режиме создаются реальные условия для взаимодействия формальных и неформальных компонентов и усиливаются творческие возможности человека по генерации гипотез, их оценке и принятию решений.

При оценке проектных, плановых, организационных, управленческих решений, в силу специфики строительного производства, обратная связь, осуществляемая на основе обобщенного опыта строительства, замедленна и малоэффективна, а оценка в строительстве носит пока последействующий характер, когда решения уже реализованы, и повысить их эффективность с помощью оценки уже нельзя. Поэтому важным средством экономического исследования качества и прогрессивности решений в строительстве является создание моделей, позволяющих использовать принцип обратной связи на стадии проектирования и планирования, разработка надежных формализованных и неформализованных оценочных процедур.