V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

«Зеленое Строительство» – это комплексное знание, структурируемое стандартами проектирования и строительства. Уровень его развития напрямую зависит от достижений науки и технологии, от активности промышленных инженеров и от сознания обществом экологических принципов.

Регламентировать устойчивый подход в строительстве, оценить степень соответствия зданий исходным принципам призваны Зеленые стандарты.

Зеленые стандарты призваны ускорить переход от традиционного проектирования и строительства зданий и сооружений к устойчивому, которое базируется на следующих принципах:

• безопасность и благоприятные здоровые условия жизнедеятельности человека;

• ограничение негативного воздействия на окружающую среду;

• учет интересов будущих поколений.

Разработка и внедрение стандартов «Зеленого Строительства» стимулирует бизнес, развитие инновационных технологий, экономику, улучшает качество жизни общества и состояние окружающей среды.

Они являются инструментом разумной экономики – сохраняют денежные средства на всех этапах и способствуют интеграции в мировой тренд, являются ключом к зарубежным инвестициям и признанию на мировом уровне.

Затраты на комплексные «Зеленые» мероприятия в рамках девелопмента и строительства не велики при довольно ощутимой экономии на последующей эксплуатации и общем повышении уровня качества зданий и внутреннего комфорта [1].

Строительство или реконструкция жилого фонда с учетом энергетических и экологических требований, а также повышение качества, надежности и снижение трудоемкости производства строительных работ является актуальной проблемой. В настоящее время основной объем по планированию строительства и контролю за состоянием зданий и сооружений составляют рутинные циклически повторяющиеся задачи с необходимостью обработки и документирования больших объемов информации. Повышение требований к качеству принимаемых решений и экономическая ответственность за результаты определяют необходимость применения консультативно-справочных и оптимизирующих систем.

Решение задач строительства является сложным процессом, состоящим из ряда последовательных шагов, и в целом включает слабо формализованные (неформализованные) и хорошо формализованные этапы сложной многоуровневой задачи поддержки принятия решений.

Анализ мирового опыта показывает, что при разработке систем поддержки принятия решений наиболее перспективным является применение технологии экспертных систем (ЭС). Все существующие ЭС ориентированы на решение определенного круга задач в узкой предметной области и не могут быть применены для решения близких, но не предусмотренных при их создании, проблем [2]. Даже для задач, входящих в "компетенцию" ЭС, точный диагноз и нахождение оптимального решения возможны только в случае, если аналогичная ситуация была предусмотрена при создании ее базы знаний [3,4]. Попытка уточнить базу знаний (БЗ) в процессе эксплуатации или расширить круг решаемых проблем приводят к изменению "логического строя" БЗ и, как следствие, к необходимости переработки всего программного комплекса.

Особенностью задач pемонтно-стpоительного производства является их слабая формализация. Поэтому основными составляющими разработки являются логические блоки, формализующие знания экспертов, и модули, доводящие эти знания до алгоритмических процедур.

В ЭС модули для решения слабоформализованных логических задач являются модулями высшего уровня. Результат решения задачи высшего уровня является "сигналом" к инициализации одного или нескольких модулей низшего уровня, каждый из которых решает хорошо формализованную задачу. В то же время, не исключено, что любой из модулей низшего уровня в свою очередь может иметь двухуровневую структуру.

Таким образом, архитектура проектируемой универсальной гибридной ЭС включает в себя:

• многоуровневую информационную базу знаний;

• многоуровневую базу данных;

• многоуровневую базу фактов;

• множество модулей, которые решают логические задачи, используя соответствующие уровни баз (результаты решения задач этого уровня управляют модулями низшего уровня);

• множество программных модулей формализованных процедур (расчетные модули - низшие уровни системы);

• координацию - пакет программ для решения задач расчета элементов "конструкции решений", использующих для своей работы необходимые разделы базы знаний.

Результаты решения задач низшего уровня используются модулями высшего уровня для оценки "качества" решения (обратная связь). В процессе работы для каждого этапа процесса принятия решения выбирается конкретный метод на основании требований, предъявляемых к классу ситуаций. Конкретный алгоритм принятия решений формируется в процессе взаимодействия системы логического вывода ЭС с информацией, накапливаемой в базе знаний (в банке эвристических правил или в критериях оптимальности) и эвристики, присущей эксперту - пользователю системы. Причем пространство поиска оптимального решения зависит от степени формализации задачи: для хорошо формализованных задач пространство поиска однозначно определяется базой знаний (банком моделей или критериями оптимальности); для неформализованных (слабофоpмализованных) задач пространство поиска во многом зависит от степени проработки эвристических правил и "эвристики" пользователя. Предусматривается возможность взаимного "человеко-машинного" обучения: эксперт обучает систему (путем уточнения эвристических правил или критериев оптимальности); система обучает пользователей, проводя расчеты и объясняя полученные результаты.

Проектируемая ЭС является новым подходом к проблеме оценки технического состояния и оптимизации планирования капитального ремонта (реконструкции). Экспертная система разрабатывается с целью обеспечения рациональной структуры работ по технической подготовке ремонтно-строительного производства, снижения трудозатрат, уменьшения длительности и улучшения качества выполнения работ и, тем самым, повышения остаточного срока службы и надежности зданий без увеличения затрат на их ремонт или реконструкцию.

Экспертные системы - это сложные программы, которые используют накопленные знания с целью отыскания удовлетворительного решения определенной задачи в реальных условиях. Основу экспертной системы составляет база знаний (БЗ), которая закладывается во время ее разработки и может уточняться и расширяться при использовании. Главным отличием ЭС от программных комплексов и диалоговых систем является полная доступность всей информации по данной проблеме, автоматизированный ее поиск и анализ, а также решение проблемы не только по вводимым данным, но и с учетом всей имеющейся информации в БЗ и в архиве системы. Для этого ЭС содержат: компоненту решающую проблему и компоненту поддержки. Компонента поддержки помогает пользователю взаимодействовать с главной программой и включает в себя удобные для него средства ввода информации, редактирования, анализа, контроля и.т.д. Эти средства позволяют решать задачи, входящие в "компетенцию" ЭС любому человеку - даже не обладающему достаточными знаниями по данной проблеме и не имеющему навыков работы с компьютером. Работа осуществляется по технологии меню и подсказок, пользуясь которыми можно провести все расчеты, проанализировать реальную ситуацию, а также осуществить модификацию и расширение БЗ и архива системы [5].

ЭС "Реконструкция зданий" - это открытая база знаний и постоянно обновляющийся справочник наилучших стратегий и методов, используемых персоналом, для решения конкретных задач по оценке реального состояния и оптимизации ремонта (реконструкции) зданий. При разработке экспертной системы принята концепция единого подхода ко всем проблемам, возникающим при оценке реального состояния, планировании и проведении ремонта (реконструкции) зданий. ЭС "Реконструкция зданий" строится по иерархической структуре независимых экспертных систем и программно - аппаратных комплексов. Каждая ЭС решает одну или несколько технологических задач, связанных с диагностикой состояния или оптимизацией реконструкции (капитального ремонта) зданий. Каждая ЭС решает свою задачу полностью. Решив задачу, ЭС запоминает результаты в архиве и по требованию пользователя или ЭС более высокого уровня выдает их в удобной для анализа форме. Общая структурная схема ЭС " Реконструкция зданий " приведена на рис.1.

Нижним уровнем ЭC "Реконструкция зданий" являются интерпретирующие экспертные системы, которые используют информацию от датчиков или опосредованно через экспертов-операторов контролируют реальную ситуацию. Интерпретирующие ЭС имеют дело как с непосредственными реальными данными, так и с четким символьным представлением проблемной ситуации. Они сталкиваются с затруднениями, которых нет у систем других типов, потому что им приходится обрабатывать информацию неполную, ненадежную или ошибочную. Им необходимы специальные методы регистрации параметров, обеспечивающие достаточную точность и достоверность представляемой информации. При этом обычные статистические методы часто неприменимы из-за недостаточности информации.

Интерпретирующие ЭС позволяют провести предварительный анализ измеряемых параметров по заданным алгоритмам, исключить ошибочные замеры или суждения, сжать информацию и предоставить ее для дальнейшего анализа в удобной форме. При анализе достоверности и принятии решения используются знания накапливаемые в базе фактов ЭС о контролируемых процессах или специальные алгоритмы цифровой фильтрации. Анализ достоверности основан на допуск-контроле и проверке непротиворечивости информации. Для уточнения характеристик (суждений) или данных могут быть использованы методы математической статистики и алгоритмы идентификации.

Примером интерпретирующей ЭС первого уровня может служить разрабатываемый программный комплекс - База данных "Жилой фонд". База данных "Жилой фонд" предназначена для фиксации конструктивных особенностей всех систем здания и произошедших в результате эксплуатации изменениях в отдельных его элементах. Дефектация проводится в диалоге с экспертом-оператором путем заполнения специальных форм и выбора требуемой информации из таблиц, входящих базу фактов ЭС. Физический износ каждого элемента здания определяется путем натурного обследования и выбора характерных признаков в соответствующих таблицах. Уточнение физического износа проводится при анализе процентного отношения дефектных участков к общей поверхности конструктивного элемента и фиксируется ЭС после диалога с экспертом.

Анализ достоверности основан на допуск-контроле. При натурном обследовании могут быть использованы сведения о ранее проведенных обследованиях с уточнением необходимой информации. Для этого предусмотрен специальный режим копирования требуемой информации.

ЭС предоставляет различные сервисные средства облегчающие работу с имеющейся информацией, например: сортировка и выбор информации по маскам, помощь к каждому разделу и т.д. Вся собираемая в базе данных информация по запросам пользователей или ЭС более высокого уровня может быть предоставлена в удобной для анализа форме.

Рис.1. Структурная схема экспертной системы диагностики и ремонта (реконструкции) зданий

(ЭС "Реконструкция зданий")

Второй уровень ЭС "Реконструкция зданий" - это ЭС занятые планированием и оптимизацией проведения ремонта (реконструкции) здания. Они определяют вид и последовательность действий, которые обеспечат требуемую надежность и необходимый остаточный срок службы ремонтируемого здания с учетом реальных возможностей.

В результате работы ЭС этого уровня рассчитываются оптимальные сроки, последовательность и параметры технологических операций ремонтных работ, а также документируются и архивируются принятые решения и проведенные работы.

Основная задача ЭС этого уровня проанализировать данные по реальному состоянию отдельных элементов зданий, выявить закономерность их изменения (старения), сравнить остаточный ресурс каждого элемента с требуемыми сроками надежной эксплуатации и оптимизировать параметры реконструкции и капитального ремонта с учетом состояния и многокритериальных требований реальной ситуации (возможность отселения жильцов, финансовые возможности и т.д.).

Решение поставленной задачи сводится к разработке программного комплекса, способного наращивать свои функциональные возможности по мере накопления информации в базе знаний ЭС. Первый этап разработки охватывает задачи определения реального физического и морального износа здания, прогнозирование его увеличения, определение остаточного срока службы с выдачей рекомендаций по его ремонту или реконструкции (рис.2).

Рис. 2. Схема оценки состояния и планирования необходимых мероприятий по обеспечению эксплуатационной пригодности здания (окончание)

Второй этап - оптимизация параметров ремонта или реконструкции и многокритериальный отбор решения поставленной задачи (проведение аналитического и имитационного моделирования).

Для сохранения справочной информации о зданиях, работах, инструкциях и другой текстовой или табличной информации разработан специальный необходима разработка отдельного программного комплекса, состоящего из русифицированного редактора, системы каталогизации, архивации и просмотра информации (специализированный текстовый и табличный процессор). Результаты работы этого программного комплекса следует сохранять в подкаталогах BAZAn, где n - номер данной работы в базе, в подкаталогах запоминается вся необходимая справочная информация для данной работы (инструкции, формуляры и т.д.).

Основой ЭС служит оболочка, которая автоматизирует процесс предоставления требуемой информации, обеспечивает связь между уровнями и исключает возможность возникновения "конфликтных" ситуаций при обработке информации. Оболочка экспертной системы реализует функции "электронного помощника" и позволяет вызывать и передавать необходимую информацию между отдельными подсистемами и входящими в них задачами. Кроме того, оболочка позволяет осуществлять поэтапное развитие системы путем подключения новых задач по мере их готовности. Оболочка обеспечивает взаимодействие с исполняемыми файлами и информационной базой знаний, автоматизирует функции поиска, накопления и представления требуемой информации по работам и зданиям. Каждая строка оболочки соответствует определенному виду работ или определенной экспертной системе. Настройка оболочки проводится на этапе инсталляции системы, параметры задаются конкретным пользователем. С помощью оболочки можно организовать удобный набор автоматизированных рабочих мест (АРМ) основных специалистов занятых ремонтом и диагностикой состояния зданий.

На основании выполненных исследований были сформулированы основные принципы построения ЭС «Реконструкция зданий», направленной на комплексное обследование зданий и формирование рекомендаций по их реконструкции с учетом требований, предъявляемых стандартами «зеленого строительства». Проведенные теоретические исследования позволили определить подход и разработать первый уровень универсальной экспертной системы "Реконструкция зданий", предназначенный для обработки данных натурного обследования, определения физического и морального износа, оценки фактического состояния и остаточного срока службы жилых зданий.

Продолжение исследований позволит разработать второй уровень экспертной системы, предназначенный для планирования и оптимизации проведения ремонта (реконструкции) зданий. Основная задача ЭС этого уровня - проанализировать данные по реальному состоянию отдельных элементов зданий, выявить закономерность их изменения (старения), сравнить остаточный ресурс каждого элемента с требуемыми сроками надежной эксплуатации, назначить комплекс необходимых мероприятий (капитальный ремонт, реконструкция и т.д.) и оптимизировать его параметры с учетом фактического состояния и многокритериальных требований стандартов «зеленого строительства».

Библиографический список

1. Сотникова, О.А. «Зеленое строительство». Методология. Стандарты. Рекомендации / О.А. Сотникова, Ю.М. Борисов, В.Н. Мелькумов и др. – Воронеж: ВГАСУ, 2011. – 72 с.

2. Месарович, М. Теория иерархических многоуровневых систем / М. Месарович, Д. Мако, И. Такахара. - М.: Мир, 1973. - 344 с.

3. Балакришнан, А.В. Теория фильтрации Калмана / А.В. Балакришнан. - М.: Мир, 1988. - 166 с.

4. Ермольев, Ю.М. Методы стохастического программирования / Ю.М. Ермольев. - М.: Наука, 1976. – 239с.

5. Шагин, А.Л. Реконструкция зданий и сооружений / А.Л. Шагин, Ю.В. Бондаренко, Д.Ф. Гончаренко. - М.: Высшая школа, 1991. - 352 с.

Код для цитирования: Скопировать