Кибернетика и киберфизические системы в строительстве
Кибернетика и киберфизические системы в строительстве: Учебное пособие
Аннотация: Учебно-методическое пособие К.Ю. Лосева, изданное МИСИ – МГСУ в 2020 году, представляет собой комплексный обзор кибернетики и киберфизических систем (КФС) в контексте строительной отрасли. Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки "Информатика и вычислительная техника" (09.04.01), и направлено на формирование компетенций в области информационного моделирования и управления строительными объектами на всех стадиях жизненного цикла.
Введение в кибернетику и строительные системы
Пособие начинается с введения в историю кибернетики, рассматривая различные определения этого междисциплинарного направления, начиная с работ А. Ампера и заканчивая современными концепциями. Особое внимание уделяется ключевым фигурам, таким как Норберт Винер, Уильям Эшби и Стаффорд Бир, и их вкладу в развитие кибернетики. Рассматриваются основные принципы кибернетики, включая закон необходимого разнообразия Эшби, принципы обратной связи, декомпозиции и внешнего дополнения. Далее, вводится онтология терминов, связанных со строительством, таких как "строительный объект", "здание", "сооружение", "жизненный цикл", "информационная модель здания (BIM)", "цифровой двойник", "система систем (SoS)" и "киберфизическая система (КФС)". Подробно описываются стадии жизненного цикла строительного объекта и этапы жизненного пути здания.
Системный анализ и управление сложными системами
В пособии рассматриваются принципы функционирования сложных систем, включая реакцию, связность, адаптацию, связанное и ограниченное разнообразие, а также цикличность прогресса. Подробно анализируются принципы управления сложными системами, такие как иерархия, унификация, целенаправленность, открытость, эффективность, ответственность, невмешательство, общественно-государственное управление, развитие, полнота и прогнозирование, регламентация, обратная связь, адекватность, оперативность, опережающее отражение, адаптивность, рациональная централизация, демократическое управление, согласованность и этичность. Рассматривается системный анализ как методология решения сложных проблем, с обзором различных подходов к системному анализу.
Теория информации, обратная связь и "черный ящик"
Пособие затрагивает основы теории информации Шеннона-Винера, включая понятия вероятности, энтропии, избыточности и пропускной способности канала. Рассматривается сущность обратной связи как механизма управления в кибернетических системах, с акцентом на отрицательную и положительную обратную связь. Объясняется метод "черного ящика" как инструмента исследования сложных систем, не поддающихся детальному описанию.
Гомеостаз, интеллектуальные здания и киберфизические системы
В пособии рассматриваются понятия гомеостаза и гомеостатического управления, а также их применение в строительстве. Подробно описывается концепция "интеллектуального здания", включая принципы гомеостатического проектирования и управления. Анализируются проблемы, связанные с киберфизическими системами в интеллектуальных зданиях, и рассматриваются элементы искусственного интеллекта в КФС.
Моделирование киберфизических систем и нормативная база
Пособие представляет теорию функциональных систем как методологическую основу моделирования КФС, с акцентом на инфографическое моделирование системы "человек-техника-среда" (ЧТС). Рассматриваются особенности функциональных систем, включая изоморфизм, голографический принцип, избирательное вовлечение элементов, взаимосодействие и доминантную иерархичность. Описывается язык моделирования UML и его применение для моделирования КФС, с обзором различных диаграмм UML. В заключение, рассматривается нормативная база разработки КФС в России, включая перечень отечественных стандартов и деятельность Технического Комитета №194 "Киберфизические системы".
- 007: Деятельность и организация. Общая теория информации связи и управления (кибернетика)
- 69: Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
- ВО - Магистратура
- 09.04.01: Информатика и вычислительная техника
УДК 007:69
ББК 32.81:38
Л79
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор А.В. Гинзбург,
заведующий кафедрой информационных систем, технологий и автоматизации
в строительстве НИУ МГСУ;
доктор технических наук, профессор Г.О. Чулков,
ведущий научный сотрудник Научно-проектного центра «Развитие города», Москва
Лосев, К.Ю.
Л79 - - - Кибернетика и киберфизические системы в строительстве [Электронный ресурс] : учебнометодическое пособие / К. Ю. Лосев ; Министерство науки и высшего образования Российской
Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный строительный
университет, кафедра информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве. —
Электрон. дан. и прогр. (3,8 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 2020. — Режим
доступа: http://lib.mgsu.ru. — Загл. с титул. экрана.
ISBN 978-5-7264-2219-0 (сетевое) - - -
ISBN 978-5-7264-2218-3 (локальное)
В учебно-методическом пособии приводятся указания к практическим занятиям и самостоятельным
работам по дисциплине «Кибернетика и киберфизические системы в строительстве». Указания
структурируют и облегчают обучающимся освоение материала дисциплины, демонстрируют
возможности отечественного программного обеспечения по теме дисциплины, содержат список
вопросов для самоконтроля.
Для обучающихся по направлениям подготовки 09.04.01 Информатика и вычислительная техника.
Учебное электронное издание
© Национальный исследовательский
Московский государственный
строительный университет, 2020
Редактор, корректор А.А. Космина Компьютерная правка и вёрстка Н.А. Миловановой Дизайн первого титульного экрана Д.Л. Разумного Для создания электронного издания использовано: Microsoft Word 2010, Adobe InDesign CS6, ПО Adobe Acrobat Подписано к использованию 05.05.2020. Объём данных 3,8 Мб. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет». 129337, Москва, Ярославское ш., 26. Издательство МИСИ – МГСУ . Тел.: (495) 287-49-14, вн. 13-71, (499) 188-29-75, (499) 183-97-95. E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru
ОГЛАВЛЕНИЕ Введение.......................................................................................................................................................5 Практическое занятие №1...........................................................................................................................8 Практическое занятие №2.........................................................................................................................13 Практическое занятие №3.........................................................................................................................21 Практическое занятие №4.........................................................................................................................25 Практическое занятие №5.........................................................................................................................27 Практическое занятие №6.........................................................................................................................31 Вопросы для самопроверки......................................................................................................................42 Библиографический список .....................................................................................................................44
ВВЕДЕНИЕ Дисциплина «Кибернетика и киберфизические системы в строительстве» является основной к обучению в магистратуре по направлению 04.09.01, так как целью освоения дисциплины является формирование компетенций обучающегося в области информационного моделирования в строительстве и управления объектами и процессами на всех стадиях жизненного цикла (ЖЦ) строительного объекта, причём подразумевается не сам процесс архитектурно-строительного проектирования, которому посвящены другие дисциплины магистратуры направления 04.09.01 и бакалавриата по направлению 03.09.01, но процесс информационного моделирования киберфизических систем (КФС) в строительстве и связанных с этим знаний. Учёт при моделировании киберфизических систем всех стадий ЖЦ строительных объектов важен, поскольку термин «жизненный цикл» с 2009 г. вошёл в официальный профессиональный дискурс строительной отрасли применительно к зданиям и сооружениям. Это было отражено в Техническом регламенте о безопасности зданий и сооружений (Федеральный закон от 30 декабря 2009 г. N 384-ФЗ, пп.3.2, 5.1, 15.10), причём ЖЦ был описан как «период, в течение которого осуществляются инженерные изыскания, проектирование, строительство (в том числе консервация), эксплуатация (в том числе текущие ремонты), реконструкция, капитальный ремонт, снос здания или сооружения». Прежде чем получать знания о кибернетике и КФС в строительстве, необходимо представить онтологию терминов и определений данной предметной области. Строительный объект (construction object) — здание или сооружение, предполагаемое к возведению или находящееся в процесс строительно-монтажных работ, но не сданное в эксплуатацию. Федеральный закон от 30.12.2009 № 384-ФЗ (ред. от 02.07.2013) «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» (статья 2, часть 2, параграфы 6 и 23) так определяет термины здание и сооружение: Здание (building) — «результат строительства, представляющий собой объёмную строительную систему, имеющую надземную и (или) подземную части, включающую в себя помещения, сети инженерно-технического обеспечения и системы инженерно-технического обеспечения и предназначенную для проживания и (или) деятельности людей, размещения производства, хранения продукции или содержания животных». Сооружение (structure) — «результат строительства, представляющий собой объёмную, плоскостную или линейную строительную систему, имеющую наземную, надземную и (или) подземную части, состоящую из несущих, а в отдельных случаях — и ограждающих строительных конструкций и предназначенную для выполнения производственных процессов различного вида, хранения продукции, временного пребывания людей, перемещения людей и грузов». Жизненный цикл зданий (buildings lifecycle) — это повторяющаяся серия состояний информационных моделей зданий в процессе их жизненного пути (от создания до прекращения использования), где цикличность возникает через извлечение знаний и специфического опыта из моделей в среду общих данных (СОД) и использование последних в новых информационных моделях зданий. Жизненный цикл существует только для категорий зданий, но не для конкретного здания в отдельности. У конкретного здания существует жизненный путь, или морфогенез. Категоризация может проводиться по различным группам: по классам капитальности, по функциональному назначению, по типу строительной системы, по влиянию на окружающую среду и др. Состоит он из следующих стадий: 1. Мысленная; 2. Предпроектная; 3. Проектная; 4. Строительная; 5. Эксплуатационная; 6. Демонтажная. Каждая стадия имеет несколько этапов (также — состояний) информационной модели здания. ЖЦ состоит из стадий, которые суть состояния информационной модели здания (см. теорию конечных автоматов и Диаграмму Состояний языка моделирования UML). Жизненный путь состоит из этапов, которые есть временные периоды. Стадия жизненного цикла (life cycle stage) — период жизненного пути здания как часть временнóй функции, определяющий устойчивое состояние информационной модели относительно её существенного, качественного изменения и относящийся к состоянию системного описания или реализации системы, определяющий степень развития системы. Жизненный путь здания (морфогенез) (building lifeline) — последовательность этапов, которые суть процессы, происходящие при переходе здания из одного состояния в другое. В зависимости от категорий здания множество этапов жизненного пути между стадиями жизненного цикла могут 5
быть различными, т.е. при одинаковом ЖЦ технические объекты из разных категорий имеют не полностью отображаемые друг в друга множества этапов.
Этапы ЖЦ здания: отчуждение мысленной модели и маркетинг; эскизное проектирование; предпроектные изыскания; проектирование; прохождение экспертизы; подготовка рабочей документации; подготовка строительного производства; строительно-монтажные работы; ввод в эксплуатацию (сдача-приёмка); проведение ремонтов и реставрации; проведение реконструкций; вывод из
эксплуатации, снос (демонтаж); выделение специфического опыта и сохранение знаний информационной модели (ИМ) здания в среде общих данных (СОД) (по ГОСТ 57311-2016).
Этап жизненного цикла (life cycle phase) — состояние ИМ здания в процессе жизненного пути
здания, характеризующееся определённой доминирующей деятельностью.
Среда общих данных (Common Data Environment, СОД) — комплекс программно-технических
средств, функционирующих в организации информационно-управляющих систем, обеспечивающий их совместное пользование в составе эксплуатационной модели здания для управления информацией об активах.
Актив (asset) — находящийся в собственности и принятый в эксплуатацию объект капитального строительства (сооружение производственного и непроизводственного назначения, жилое и административное здание, земельный участок, производственное оборудование и механизмы) (по
ГОСТ 57311-2016).
Объект-система (object&system) — целостная группа объектов, находящихся в отношениях
друг с другом и образующих причинно-следственную связь.
Модель (model) — объект-система, описывающая основные характеристики более сложной системы (реального объекта, процесса, явления) и являющаяся образом-заместителем, представляющим изучаемый объект.
Мета-система (meta-system) — совокупность объект-систем.
Информационная модель (information model, ИМ) — мета-система, являющаяся совокупностью
объект-систем, в соответствии с предметной областью.
Объект — нечто (сущность), что выделено из профессиональной предметной области и получившее имя в профессиональном сообществе.
Информационная модель здания (building information model, BIM)
Вариант 1. Мета-система, являющаяся совокупностью цифровой информационной модели
(ЦИМ) здания, инженерно-цифровой модели местности (ИЦММ) и, при необходимости, дополнительных взаимосвязанных сведений, документов и материалов о здании, формируемых в электронном виде на стадиях жизненного пути мета-системы (от создания модели до прекращения использования).
Вариант 2. Мета-система, являющаяся совокупностью цифровой информационной модели
(ЦИМ) здания, инженерно-цифровой модели местности (ИЦММ) и, при необходимости, дополнительных структурированных и неструктурированных информационных контейнеров (ISO 19650-1),
формируемых в электронном виде на стадиях жизненного пути мета-системы (от создания до прекращения использования).
Проект (design project) — координируемая и управляемая деятельность, результатом которой является создание инфографического набора требований к объект-системе; состоящая из этапов: предпроектных исследований, начальной стадии дизайн-концепции, стадии детального дизайна, стадии
разработки и стадии воплощения; предпринятая для достижения конкретных требований, включая
ограничения по времени, стоимости и ресурсам.
Цифровой двойник (Digital Twin, DT) — динамическая информационная модель технического
объекта с постоянными обратными связями от физических процессов, с которыми взаимодействует технический объект.
Система систем (System-of-systems, SoS), {она же техноценоз (сообщество технических объектов)} — мета-система, ограниченная в пространстве и времени, возникающая в результате соединения множества технических объектов разных категорий в определённый момент их жизненного
пути. Характеризуется SoS:
1) слабыми связями и слабыми взаимодействиями между объектами;
2) невозможностью выделения однозначной системы показателей;
3) несопоставимостью времени жизненного пути технического объекта и системы систем (SoS);
6
Похожие