Концептуальные
символические модели систем в среде комплексной информационной модели объекта
Б.И. Борде,
проф., к.т.н., bborde@sfu-kras.ru
СФУ, г. Красноярск
Рассматривается развитие открытого
учебно-исследовательского программно-методического комплекса автоматизации проектирования неоднородных
вычислительных систем в локальном и сетевом вариантах. Концептуальное описание
на языке высокого уровня позволяет производить многовариантное проектирование и
сопровождение объекта с автоматической оценкой параметров и критериев эффективности.
Автоматическое преобразование результата в пакеты
схемного и конструкторского проектирования.
We
consider the development of an open educational and research program-methodical
complex design automation of heterogeneous computer systems in local and
network versions. Conceptual description of the high-level language allows for
contingency planning and tracking an object with automatic assessment
parameters and performance criteria. Automatic conversion of
the result in the circuit packs, and construction engineering.
Ocнoвoй пpeдлaгaeмoгo пoдxoдa
являeтcя oднoкpaтный ввoд
oпиcaний
oбъeктoв в видe фopмaлизoвaнныx
зaдaний для paзличныx
уpoвнeй aнaлизa
и кoнcтpуктopcкo-тexнoлoгичecкoгo пpoeктиpoвaния.
Пpивычныe
инжeнepу гpaфичecкиe дoкумeнты в видe временных диаграмм, cxeм и cбopoчныx
чepтeжeй дoлжны пoлучaтьcя aвтoмaтичecки в peзультaтe интepпpeтaции фopмaлизoвaнныx
зaдaний и peшeний.
При этом повышается
производительность труда студентов и инженеров и становится реальным активное
обучение в проектной команде.
Символические модели систем, содержащие существенную информацию
о функциях или структуре, занимают важное место в процессах обучения и проектирования. Интерпретация
модели или ее изменений во времени зависит от предметной области и облегчает
восприятие [1,2,3,6 ].
Символические модели систем могут существовать в среде
объекта, обеспечивающего систему комфортными условиями, энергией и сетью
передачи информации. Объект может представляться комплексной (междисциплинарной)
информационной моделью или множеством вложенных комплексных информационных
моделей.
Объект может создаваться в среде виртуальной реальности
или X3D без ограничений на тип объекта.
Вычислительная сеть может находиться в здании или на открытом пространстве. Для
неподвижных объектов, например зданий, подходит среда Autodesk REVIT c возможностью автоматического
размещения в помещениях сетевых рабочих мест в соответствии с нормами. Кампус
университета состоит из множества зданий, дорог и подземных коммуникаций и
является объектом более высокого уровня со средой Autodesk INFRAWORKS. Кампус университета является частью
объекта город. Процесс проектирования моделей начинается с нижнего уровня и заканчивается
верхним, но является итерационным до удовлетворения требований задания.
Международный стандарт ISO 15926 установил трехуровневую
архитектуру моделей. Внешний (External) уровень моделей соответствует запросам
пользователей, внутренние (Internal) модели соответствуют таблице варианта УИ САПР <COD>. Концептуальный уровень в программно
– методическом комплексе представлен формализованным заданием на проектирование
(ФЗ-FZ). Основные понятия стандарта
ГОСТ Р ISO 15926 приведены в таблице 1.
Таблица 1 Основные понятия ISO
15926
|
Уникальное название |
Описание |
Примечание |
Superclass |
I ISO 15926-2 entity |
|
Auxiliary system (вспомога= тельная система) |
Система, являющаяся
частью большой системы, и выполняющая функции, необходимые для работы более
крупной системы, но которые не являются частью функций большой системы |
|
System |
class_of_inanimate_ physical_object |
|
Component (компонент) |
Физический объект, который используется как часть большого объекта. |
|
physical object class_of_inanimate_physical_ object |
|
|
Connection (связь) |
Физический объект, который предназначен для соединения. |
|
physical object |
class_of_inanimate__ physical_object |
|
Connector (соединитель) |
Соединение, состоящее из двух частей |
Заглушка и гнездо |
connection class_of_inanimate_physical_ object |
Connector ( (соединитель) |
|
End (конец) |
Функция, которая является окончанием события |
|
feature |
class_of_feature |
|
Plant (объект) |
Физические объекты: земля,
здания, машины, инструменты, используемые
в торговле и промышленности |
|
physical object class_of_inanimate_physical_object |
|
|
Plug ( пробка) |
Физический объект, позволяющий герметично
закрыть отверстие |
|
physical object |
class_of_inanimate_ physical_object |
|
Section (часть объекта) |
Физический объект, который является одной из основных частей большого
объекта |
|
physical object |
class_of_inanimate_ physical_object |
|
Start point (начальная точка) |
Функция, которая обеспечивает начало события |
|
feature |
class_of_feature |
|
Support (опора) |
Физический объект, который в состоянии поддерживать некоторые другие
вещи от падения, погружения или дефекта |
|
physical object |
class_of_inanimate_ physical_object |
|
System (система) |
Функциональный объект, являющийся набором функциональных объектов, образующих
схему для предоставления услуг или служащих
для выполнения одной задачи |
Примеры: система отопления,
система шоссе, системы обработки данных. |
functional physical
object |
class_of_inanimate_ physical_object |
В соответствии со стандартом был проведён анализ процесса
проектирования различных объектов в разных областях. Основные результаты
представлены в таблице 2.
Таблица 2: Соответствие
операций при проектировании объектов различных уровней
|
Операция |
Печатные платы |
Здания |
Инфраструктура |
Организация персонала
для совместной работы |
|
Концептуальное
моделирование |
Концептуальное моделирование и критерии эффективности |
Концептуальное моделирование и критерии эффективности |
Концептуальное моделирование и критерии эффективности |
Концептуальное моделирование и критерии эффективности |
|
Ограничение площади |
Контур платы |
План участка |
План участка (кампуса) |
План размещения рабочих мест |
|
Установка слоев |
Определение слоёв |
Назначение этажей |
Коммуникационные слои |
Уровни обмена сообщениями |
|
Размещение объектов |
Установка
компонент |
Установка оборудования |
Установка зданий и объектов |
Размещение персонала |
|
Трассировка соединений (связей) |
Трассировка
соединений |
Системная
трассировка |
Трассировка надземных и подземных коммуникаций |
Правила обмена сообщениями |
|
Моделирование работы системы с оценкой критериев
эффективности |
Моделирование реальной
схемы с оценкой критериев эффективности |
Моделирование работы системы с оценкой критериев эффективности |
Моделирование работы комплекса (кампуса) с оценкой критериев
эффективности |
Моделирование работы коллектива в различных
условиях с оценкой критериев эффективности |
При проектировании устройств вычислительных систем
моделируются варианты и выбирается оптимальный по
критерию эффективности [1,2,3,4]. Для наземных систем это стоимость единицы
производительности. При проектировании конструкции печатной платы компоненты размещаются
по критерию минимума суммы длин проводников, а при трассировке соединений учитывается
штраф за переходные отверстия и возможный уровень помех. Моделируется реальная
схема устройства при заданных внешних воздействиях и проверяется соответствие
заданию.
Проектирование здания начинается с анализа участка и
возможных внешних воздействий. В соответствии с основной функцией и критериями
эффективности выбирается площадь и этажность здания. Проектируется конструкция
здания с учетом энергоэффективности. Размещается основное
оборудование здания в соответствии с нормами. Затем производится трассировка
соединений для всей системы и ее моделирование..
Информационная модель объекта (BIM-Building Information Model) может быть построена в
среде Autodesk REVIT с помощью команд при отсутствии
или наличии планов этажей. Лучшие результаты получаются при автоматическом
построении объектов с помощью программных модулей. Схема алгоритма
автоматического построения объектов, при наличии поэтажных планов в форме dwg файлов, приведена на рис.1. Для программных модулей в
САПР используется Net Script CAD [3,4,5,6 ].
Размещение оборудования разделяется по назначению на электроснабжение, коммуникационное,
технологическое, жизнеобеспечение и управление зданием [4,5,6
]. Программные модули позволяют разместить оборудование,
в соответствии с нормами, в лекционных аудиториях, рабочие места в лабораториях
и офисах. Трудоёмким является процесс соединения оборудования.
Рис 1. Схема алгоритма автоматического
построения объектов
Каталог проекта должен содержать подкаталог dwg для поэтажных планов, каталог rvt для файлов Autodesk REVIT для возможности относительной
адресации. Программные модули лучше создавать для многократного использования
путем передачи параметров. Примером является модуль загрузки планов этажей.
САПР Autodesk REVIT предполагает работу трех
различных специалистов: архитекторов, конструкторов строителей и специалистов
по инженерным системам - системотехников (SYSTEM). Специалисты по инженерным
системам должны владеть базовыми знаниями в различных областях и основами
программирования для эффективного использования комплексных САПР, подобных REVIT, и информационной модели здания
(BIM) в процессе его жизненного цикла. Состояние оборудования, помещений и
конструкций в соответствии с единым протоколом управления объектом, например BACNET, поступает диспетчеру кампуса
для оперативного управления и прогноза поведения объектов. Информационная сеть
должна быть построена на различных принципах для сохранения работоспособности
при чрезвычайных ситуациях.
Для проектирования кампуса или комплекса зданий необходим
анализ участка и возможных внешних воздействий.
Средой проектирования может служить САПР Autodesk INFRAWORKS. Границы участка и объектов задаются
в угловых координатах, что создает возможность размещения кампуса на иной
планете. Здания и объекты кампуса могут размещаться в двух вариантах. В виде символов в виде коробок или в виде полноценных зданий, созданных в
САПР REVIT. Размещение символов требует меньше
ресурсов и рекомендуется для проверки координат
и взаимного расположения объектов. После проверки координат можно размещать
полноценные здания из файлов типа rvt. Для проекта кампуса нужно
создать каталог проекта и в нем подкаталоги dwg и rvt, где размещается все необходимые
объекты и возможна относительная адресация. В
САПР Autodesk INFRAWORKS проектирование возможно с
помощью команд или программных модулей. Командный режим рекомендуется для
оригинальных отличий одного кампуса от другого. Использование программных
модулей рекомендуется для итерационного проектирования кампуса или создания
подобных кампусов.
Приведём пример функции добавления объектов САПР REVIT к модели второго кампуса Студгородок Сибирского федерального Университета в САПР Autodesk INFRAWORKS и ее использование
function AddRvtModel(name)
{
var model = buildingsCoords[name];
var table = app.ActiveModelDb.Table('BUILDINGS');
table.BeginWriteBatch();
var w = table.GetWriteRow();
w.NAME = model.name;
w.DATA_PATH
= "..//rvt" +
model.name + ".rvt"
w.DATA_SOURCE_ID
= -1;
w.MODEL_SCALE_X
= model.sx;
w.MODEL_SCALE_Y
= model.sy;
w.MODEL_SCALE_Z
= 1;
w.MODEL_ROTATE_X
= 0
w.MODEL_ROTATE_Y
= 0;
w.MODEL_ROTATE_Z
= 0;
w.ROOF_HEIGHT
= model.sz * floorHeight;
w.ROOF_MATERIAL
= roofMaterial;
var geom = new adsk.Geometry({
"type":
"Polygon",
"coordinates":
[[
model.x, model.y
]]
});
w.GEOMETRY
= geom;
table.Insert(w);
table.CommitWriteBatch();
};
// Добавление моделей зданий
AddRvtModel('SFU2G2014full');
AddRvtModel('SFU2J2015');
AddRvtModel('SFU2H82015');
Объединяют кампус дороги различных классов, которые
задаются по точкам излома. Класс дороги можно выбрать и изменить с помощью меню.
Коммуникации кампуса проводятся на разной глубине и отображаются различными
цветами. Коммуникации лучше добавлять после размещения зданий.
Координаты всех объектов вынесены в отдельный файл и
представляют собой три массива: buildingsCoords-координаты зданий,
roadsCoords-координаты дорог, treesPoligonsCoords-координаты полигона
с деревьями. Это позволяет использовать координаты в любом проекте, включая
соответствующий javascript файл.
Информационные модели кампуса и зданий важны не только
для проектирования зданий и их комплексов. Гораздо важнее модели на всех этапах
жизненного цикла с учетом ремонта и изменения коммуникаций. При наличии образцов
модулей студент в течение месяца или семестра может выполнить проект или
создать аналогичный модуль.
Традиционной является отраслевая подготовка специалистов
в узких предметных областях. Нужна корректировка учебных планов для подготовки специалистов по инженерным системам с учетом
информационной поддержки комплексными САПР и соответствующими сетевыми сервисами
для стационарных и мобильных вычислительных устройств [4,5,6
]. Таблицы 1 и 2 подтверждают общий подход для систем различного уровня.
Интерпретация моделей систем и результатов моделирования
выполняется специалистом предметной области непосредственно или после
программной обработки. Обработка результатов позволяет снизить время восприятия
данных специалистами в разных предметных областях.
Текстовая форма на языках низкого уровня позволяет
описать один вариант системы. Текстовая форма с использованием языка высокого
уровня позволяет описывать как конкретные системы, так и множество систем. Процесс
проектирования и испытаний новой системы
является итерационным. В каждом итерационном цикле выполняются проектные
процедуры синтеза, анализа и принятия решения.
Проектирование производится при неполной информации о
системе и внешней среде. Информация дополняется на каждой итерации проектирования
системы. Анализ различия предполагаемых и фактических результатов и критериев
эффективности позволяет формировать правила синтеза системы. Основное внимание
следует уделить системам с прогнозом интервала сигналов или с моделью объекта.
С накоплением знаний о сигналах и объектах уменьшается поток входной информации
и увеличивается поток прогнозных оценок сигналов и объектов.
Литература
1. Норенков И.П. Основы автоматизированного
проектирования. Учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана,
2000. 360 с.
2. Артамонов Е.И. Структурное проектирование
систем. / Е.И.Артамонов // Информационные технологии в проектировании и производстве.2008.
№2. С.3–10
3. Борде Б.И. Основы САПР неоднородных
вычислительных устройств и систем, Красноярск, изд. КГТУ с грифом Минобразования, 2001г.-
352с.
4. Борде Б.И. Программно - методический комплекс
"Основы САПР неоднородных вычислительных устройств и систем "
Красноярск, КГТУ, 2008г.-CDROM (рус.,англ.)
. Номер гос. регистрации НТЦ ИНФОРМРЕГИСТР
0320702238.
5. Борде Б.И. Сетевые сервисы
проектирования неоднородных вычислительных систем. / Б. Борде //Труды международной конференции CAD/CAM/PDM –
2012. М.: ИПУ РАН, 2012-c.242-244.
6. https://en.wikipedia.org/wiki/Industry_4.0