РАЗРАБОТКА ГИБРИДНОЙ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ, ОПТИМИЗАЦИИ ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ
English version here.

ОБЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ:

Мировой опыт показывает, что при совершенствовании технологических процессов наиболее перспективным является использование оптимизирующих систем, основанных на знаниях и опыте высококвалиффицированных специалистов, накапливаемом в базах знаний экспертных систем (ЭС).

Сдерживающая причина распространения - высокая стоимость создания ЭС и их узкая направленность.

Все существующие ЭС ориентированы на решение определенного круга задач в узкой предметной области и не могут быть использованы для решения близких, но не предусмотренных при их создании проблем [1]. Попытка расширения круга решаемых проблем или уточнения структуры базы знаний в процессе эксплуатации часто приводит к нарушению "логического строя" базы знаний и, как следствие, необходимости переработки всего программного комплекса.

Особенно трудно создать ЭС для решения слабо формализованных задач с неявной логикой, например, задач ремонтно-строительного производства. Такая ЭС должна одновременно решать несколько проблем: проверять достоверность данных, оценивать состояние диагностируемого объекта, проводить аналитические исследования и имитационное моделирование ситуаций, оптимизировать параметры ремонтно-строительного производства и обеспечивать согласованное взаимодействие многочисленных участников производства.

В настоящее время в США, Германии, Японии и других развитых странах разработаны и действуют сотни систем поддержки принятия решений интеллектуального типа, базирующиеся на ЭС, в различных областях строительства:

  • в проектировании гражданских и промышленных объектов;
  • организационно-технологической подготовки и управления строительством;
  • экологии, предотвращении и ликвидации последствий чрезвычайных cитуаций.

В России академические и отраслевые институты разрабатывают ЭС в сфере инвестиционно - строительного процесса, ряд из них находится в эксплуатации [1].

Бурное развитие ЭС в строительстве связано с оживлением в области объектно - ориентированного программирования. Рони и Смит обосновали расширенную модель процесса проектирования за счет введения механизма обратной связи, состоящего из трех шагов: приобретение опыта, применение опыта и управление данными [2].

В области конструирования интерес представляет система "HI-RISE", которая оптимизирует проектные решения зданий на ранних стадиях проектирования, обеспечивает выбор основных объемно - планировочных решений зданий (конфигурацию, сетку колонн, конструктивные решения).

В сфере планирования призводственно - хозяйственной деятельности интересна ЭС "HOWSAFE", которая обеспечивает оценку целесообразности заключения контракта, осуществляет эффективное функционирование строительной фирмы.

Для исследования свойств строительных материалов разработана ЭС "WADI", которая на основе динамических нагрузок, качества и свойств подпорных стен исследует возможные виды повреждений и дает рекомендации по их устранению [3].

К ЭС в экологии и чрезвычайных ситуациях относится ЭС "SPERIL", предназначенная для оценки разрушений и повреждений зданий от различного вида нагрузок и их сочетаний [4].

На конгрессе в Германии, проходившем в конце 1994 г., европейские специалисты (Ральф, Оллеро, Морант и другие) отмечали перспективность направления "Автоматизированные системы искусственного интеллекта", которое базируется на нейронных сетях, нечеткой логике и генетических алгоритмах. Такой подход очень перспективен, но пока не применим для технических целей в виду огромной стоимости разработки системы.

ПРЕДЛАГАЕМЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Основной объем работ по планированию и управлению ремонтно - строительным производством и жилищно-коммунальным хозяйством составляют рутинные, циклически повторяющиеся задачи, требующие обработки больших объемов информации. Решение этих задач вручную приводит к большим затратам, к ошибкам планирования и неэффективному проведению отдельных работ.

Накопленный опыт и анализ тенденции развития ремонтно-строительной отрасли в других странах [1-4] показал целесообразность разработки ЭС, которая способна накапливать знания и использовать их при решении различных задач, возникающих в реальных производственных условиях. Решение проблемы может быть найдено в рамках построения иерархического комплекса взаимосвязанных ЭС, использующих общие базы знаний, фактов и данных и ряд "интеллектуальных" блоков решателей, способных обучаться в процессе эксплуатации. Такой подход позволяет включить в состав ЭС блоки, pеализующие методы аналитического и имитационного моделирования, обеспечивает возможность структурно - параметрической идентификации динамических объектов, включает в пpоцесс пpинятия pешения теорию оптимизации и другие математические методы обработки информации. Существенным отличием пpедлагаемого технического pешения является то, что "интеллектуализация" системы осуществляется и чеpез базу знаний и чеpез блок pешателя. В блок pешателя включены алгоpитмы, обеспечивающие автоматическое задание оптимального пpостpанства поиска pешения, которое основано на эвpистическом подходе к пpоблеме. Эвpистические алгоpитмы оценки, выбоpа и пpинятия pешения уточняются в пpоцессе функционирования системы при диалоге с экспертом; полученные знания используются для повышения точности последующих решений. Поиск оптимального решения осуществляется при сочетании методов аналитического моделирования с имитационным экспериментом и технологией ЭС.

Слабо формализованные задачи с неявной логикой решаются по этапам:

  • с помощью ЭС собирается и систематизируется требуемая информация;
  • в диалоге с экспертом, используя сценарный подход, базу знаний ЭС и эвристические возможности человека, задача формализуется и организуется банк математических моделей и критериев их оценки;
  • осуществляется структурно-параметрическая идентификация, уточняется база знаний (характеристики и "модели") исследуемых объектов;
  • осуществляется оценка состояния (диагностика), мониторинг состояния и прогнозируется поведение объектов при различных ситуациях;
  • проводятся аналитические расчеты и на базе ресурсосберегающих технологий оптимизируются параметры ремонтно-восстановительных работ;
  • собирается и систематизируется база данных по всем домам, включенным в систему, и по каждой отдельной квартире многоквартирных домов (формируются "лицевые счета" домов и квартир);
  • создается и уточняется (через сеть Интернет в режиме реального времени) база знаний по "особенностям" регионов России и приминительным нормам ЖКХ (подготовка и систематизация "экономической" информации для создания блока решателя экономических задач 2 очереди ГЭС "Жилой фонд".

ЗАДЕЛ ГРУППЫ - ИСПОЛНИТЕЛЯ

Группа-исполнитель обладает достаточным опытом в области разработки интегрированных интеллектуальных систем и диагностических комплексов на базе экспеpтных систем [5-25]. В результате многолетних исследований в УНЦ "Механика. Математика" ЮФУ, была разработана концепция построения универсальных интеллектуальных систем, способных обучаться и расширять функциональные возможности в процессе эксплуатации.
После обсуждения предлагаемой концепции на Головном Ученом Совете "Стpоительство и аpхитектуpа" было принято решение о проведения НИР с целью исследования возможности применения этой концепции к задачам ремонтно-строительного производства и ЖКХ. Исследования проводили Ростовский государственный строительный университет (ранее РГАС) совместно с Ростовским госуниверситетом (сейчас ЮФУ), см. краткий отчет по НИР - Разработка УЭС "Строитель".

Hа базе pазpаботанной концепции:

Пpеимущества ГЭС "Жилой фонд":

  • унивеpсальность к объекту исследований;
  • возможность в ходе пpомышленной эксплуатации изменять и наpащивать функциональные возможности системы;
  • наличие расширяемой инфоpмационной базы знаний (инфоpмационно-спpавочной системы, взаимодействующей с сетью Интернет).

ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

На первом этапе будет разработан инсталляционный вариант ГЭС "Жилой фонд", обеспечивающий возможность оценки реального состояния жилого фонда, исходя из нормативных данных и требований заказчика (переносной вариант, взаимодействующий с современными ОС).

ГЭС "Жилой фонд" позволит проводить натурное обследование жилых зданий в диалоге с пользователем непосредственно на объектах. Соберет, систематизирует и каталогизирует необходимую информацию для поддержки принятия решений по ремонту или реконструкции зданий, а также для оптимального обслуживания ЖКХ.

В результате работы ГЭС: будет собрана, систематизирована и сохранена вся информация о конструктивных особенностях элементов зданий и прилегающих к зданию территорий; зафиксирован реальный физический износ элементов конструкций. Эта информация позволит ГЭС проводить аналитический расчет физического и морального износа жилых зданий; на основе математического моделирования будет прогнозироваться изменение физического износа зданий на ближайшие 10 - 20 лет и определять остаточный срок надежной эксплуатации всех зданий, включенных в базу данных "Жилой фонд" (мониторинг состояния).

Система позволит проводить выборку информации и ее представление в графической или табличной форме с использованием ГИС - технологий (ГИС - географические информационные системы). Информационный фильтр и система настраиваемых многоуровневых меню и "иконок" позволит строить интерфейс, удобный для каждого конкретного пользователя. ЭС сможет работать с данными, полученными в результате "сканирования" карт или аэрофотосъемок, "привязывать" информацию о состоянии зданий и жилищно - коммунального хозяйства к исследуемым объектам и территориям и систематизировать данные по требуемым параметрам.

На втором этапе предполагается "интеллектуализировать" систему, включить модули расчетов экономических задач и расширить возможности имитационного моделирования ситуаций.

Главная задача всей разработки - предоставить каждому пользователю необходимые знания и обеспечить возможность имитировать деятельность высококвалифицированных экспертов при оценке реального состояния жилых зданий, оптимизировать технологию обслуживания жилого фонда и обеспечить поддержку принятия объективного решения о необходимости ремонта или реконструкции зданий в зависимости от складывающихся ситуаций. Разрабатываемая система позволит накопить и сохранить опыт и знания.
Ведущие специалисты уходят, но их опыт останется в ГЭС "Жилой фонд".

Применяемая концепция и модульный принцип создаваемой ГЭС позволит расширять функциональные возможности системы и круг решаемых задач в процессе эксплуатации.


ОРИЕНТИРОВОЧНАЯ СТОИМОСТЬ РАБОТ: 1250 тыс.руб. (первый этап, без экономических задач).
СРОК ВЫПОЛНЕНИЯ: 1 год.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Экспертные системы в проектировании и управлении строительством. /Гусаков А.А., Ильин Н.И., Эдели Х. - М.: Стройиздат, 1995 -296 с.
  2. Rooney,M. and Smith,S.E. (1983) Artificial intelligence in engineering design. Computers and Structures, 16, 279-88.
  3. Adely,H. and Al-Rijleh,M.M. (1987) An expert system for design of root trusses. Microcomputers in Civil Engeenering, 2, No. 3.
  4. Rubin,D. (1986) Turbo PROLOG: a PROLOG compiler for the PC programmer. AI Expert (primer issue), p.p. 87-97.
  5. Сапотницкий А.Я., Лукин В.А. Разработка экспертной системы ремонта турбин. ИНФОРМЭНЕРГО, серия: Тепловые электростанции, теплофикация и тепловые сети, 1991, вып. 2.
  6. Сапотницкий А.Я., Беликов Н.В., Лукин Н.В. Система для центровки турбины. М. Электрические станции, 1992, N 8.
  7. А.с.1195251. Устройство для проведения испытаний противоразгонной защиты турбины. 1985. Сапотницкий А.Я.
  8. А.с.1636706. Система для проведения испытаний турбины. Сапотницкий А.Я., Беликов Н.В., 1991, БИ, N 11.
  9. А.с.1816080. Система для центровки турбины. 1992. Сапотницкий А.Я., Беликов Н.В., Лукин В.А., 1992
  10. Сапотницкий А.Я., Беликов Н.В., Лукин Н.В. Автоматизированная система контроля соосности (АСКС-1) роторов и цилиндров турбоагрегата. / серебрянная медаль ВВЦ, г.Москва: "Совершенствование организации и проведения ремонтов оборудования электростанций". 1992
  11. Сапотницкий А.Я., Шаля С.М., Беликов Н.В., Лукин В.А., Козлов Е.Г. и др. Разработка универсальной экспертной системы ремонта турбин (УЭС "Турбина"), Интернет, 2000-2007
  12. Сапотницкий А.Я., Шаля С.М. Электронная библиотека УНЦ `Механика. Математика`, Интернет, 2001
  13. Сапотницкий А.Я. Универсальная экспертная система диагностики и ремонта сложного оборудования, конструкций и сооружений. // Тезисы доклада на Головном Ученом Совете `Стpоительство и аpхитектуpа`, г.Ростов-на-Дону, РГАС, 29 сентября 1994 г.
  14. Сапотницкий А.Я., Ционский А,Я., Фоменко Л.Н. Новая концепция построения универсальной экспертной системы диагностики и ремонта сложных конструкций и механизмов. // Тезисы доклада на Международной научно - технической конференции "Информационные технологии в моделировании и управлении", С.-Петербург, 1996.
  15. Сапотницкий А.Я., Ционский А,Я., Фоменко Л.Н. Универсальный программно-аппаратный комплекс, жуpнал "Пpогpаммные пpодукты и системы", N3, 1997
  16. Ционский А,Я., Сапотницкий А.Я., Фоменко Л.Н. Применение новых информационных технологий при оценке состояния строительных объектов, Междунаpодная научно-пpактическая конфеpенция: Тезисы докладов.-Ростов н/Д:РГСУ,1997.-С.63-64.
  17. Сапотницкий А.Я., Шаля С.М., Михайлов А.И. Гибридная экспертная система "Оценка состояния и оптимизация реконструкции жилого фонда", Интернет, 1994-1997 (сборник, Тезисы доклада на Головном Ученом Совете "Стpоительство и аpхитектуpа" и др.).
  18. Фалькович М.А., Сапотницкий А.Я., Шаля С.М., Михайлов А.И., Ционский А.Я., Фоменко Л.Н. и др. Универсальная экспертная система "Строитель", сборник, Интернет, 1994 - 2004
  19. Сапотницкий А.Я., Юдин А.С., Мирошниченко И.П., Сахабудинов Р.В., Еремеев А.П. Концепция экспертной системы оценки ресурса эксплуатации тонкостенных оболочечных конструкций , Современные проблемы механики сплошной среды. Материалы Международной научной конференции. Ростов-на-Дону. 7,8 октября 1997
  20. Мирошниченко И.П., Сахабудинов Р.В., Сапотницкий А.Я., Юдин А.С., Еремеев А.П. Разработка универсальной экспертной системы оценки ресурса эксплуатации тонкостенных оболочечных конструкций , Сборник тезисов докладов на научно-методической конференции `Современные проблемы образования, автоматизации управленческой деятельности руководителя, а также фундаментально-прикладные вопросы оценки состояния объектов общего назначения, вооружения и военной техники` Издательство Ростов н/Д.: РВВКИУ, стр.48-51, 1997
  21. Сапотницкий А.Я., Юдин А.С., Мирошниченко И.П., Сахабудинов Р.В. Информционно-экспертные технологии в процессах созданий и эксплуатации сложных образцов техники , Таганрог, ТРТУ. Сборник трудов. Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности, 1998
  22. Беликов Н.В., Занимонец Ю.М., Сапотницкий А.Я. Разработка автоматизированной системы испытаний, контроля и диагностики паровых турбин, Таганрог, ТРТУ. Сборник трудов. Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности, 1998
  23. Сапотницкий А.Я., Сапотницкая Л.В., Шаля С.М. Новые научные подходы к разработке гибридной экспертной системы оптимальной центровки турбоагрегатов . Результаты научных исследований по гранту МЭИ 38Гр-98.
  24. Сапотницкий А.Я., Козлов Е.Г. Оптимизация технологических процессов, Газета "Энергетика и промышленность в России", N 3 (31), март 2003 г.
  25. Сапотницкий А.Я., Шаля С.М. Универсальная экспертная система (сборник), Интернет, 2000-2007


С запросами и предложениями обращаться к Сапотницкому Александру Яковлевичу

Ростов-на-Дону - Южный Федеральный Университет - Факультет математики, механики и компьютерных наук - Учебно-научный центр "Механика. Математика" - ОВТМ - НИИМ и ПМ
Вашим замечаниям и предложениям будут рады по адресу:
sap@math.rsu.ru
и телефону: 8 952 5687191