Парадигма СИМПлекс: формирование инженерной модели основных фондов

Хождения по мукам граблям

Проектировщики выполняют проектные работы, но они не моделируют основные фонды. То, что проектировщики сосредоточены именно на выполнении работ, отражено:

• в названиях проектов: реконструкция, модернизация мощностей, новое строительство;
• в форме результата: проектная документация представляет собой графическую инструкцию для строительного подрядчика, всей информации по участку проектирования чертёж не содержит (и никогда содержать не будет).

Такая ситуация сложилась объективно, поскольку работа проектировщика начинается со строчки в перечне работ инвестиционного плана организации-владельца основных фондов капстроя. Например, для вокзального комплекса инвестиции могут включать: реконструкцию системы кровли, модернизацию оборудования зала ожидания, строительство нового здания билетных касс и платформы для ВСМ и т.д. По каждой работе/строке инвестплана выделяется отдельный бюджет и выпускается отдельный комплект чертежей. Если проект комплексный и включает несколько работ, то суть не меняется. Особенно хорошо это видно при портфельном инвестировании в течение ряда лет: отдельная заказная работа — отдельный проект.

Допустим, принято решение о замене деревянных стропил кровли вокзала на стеклянную крышу с металлическими фермами. Проектировщик берёт существующий комплект чертежей здания вокзала, извлекает из него информацию о кровле и примыкающих конструкциях и создаёт новый комплект чертежей стеклянной кровли. Таким образом, появляются два комплекта, один — с информацией о кровле, а второй — обо всём остальном. Значит, чтобы получить комплексное представление о конструкциях, нужно смотреть уже два комплекта.

Если вокзал и вокзальная инфраструктура построены давно, то количество комплектов чертежей может исчисляться десятками и даже сотнями — происходит фактически неуправляемое размножение информационных сущностей, содержащих отдельные части пазла. И это несмотря на то, что вокзальный комплекс всегда один и тот же.

Причина такого положения в парадигме, в которой живут проектировщики, — освоение инвестиций, обеспечение исполнения заказанных строительных работ.

Строительные PLM-системы, если они построены «от проектирования», оказались автоматически втянутыми в орбиту этой парадигмы: построение структуры инженерной информации в них начинается с перечня инвестиционных проектов. Такие системы работают не с основными фондами капстроя организации, они работают с «частями пазла» — комплектами чертежей в формате СПДС, информация о составе объекта в которых многократно перекрывается. PLM-система из ожидавшейся инновации, призванной преодолеть информационную сложность процесса ЖЦ, превратилась снова в архив чертежей, только электронный. Круг замкнулся. «Леший водит кругами», — говорит русское суеверье. Кто водит кругами разработчиков «строительных» PLM?..

Понимание BIM не как эволюции, а как революции — постчертёжной парадигмы — не находит должного выхода в публичный профессиональный дискурс. В попытках скрестить ежа с ужом на рынке предлагаются PLM-системы, где к СПДС-документации инвестпроекта добавляется юридически нелегитимная BIM-модель. Чертёж (инструкция для строителя!) продолжает считаться адекватным отражением реальности. Модели рассматриваются только как структурные узлы группировки чертежей. Понятно, что в случае реконструкции начинаются логические нестыковки между изменяющимися частями модели и привязанными к ним чертежами. Пазл снова начинает рассыпаться.

Ф-модель имени Бродского

Оказывается, с Основными Фондами Капитального Строительства (ОФКС) как единым комплексом в течение жизненного цикла строительного объекта (ЖЦ) работают не проектировщики, а эксплуатационщики. Надёжное функционирование комплекса ОФКС критически важно владельцу для извлечения прибыли от эксплуатации существующих фондов (ключевое слово — существующих). Премии эксплуатационщиков зависят от того, насколько хорошо они это обеспечивают.

Функционирование комплекса — это, прежде всего, функциональные связи/зависимости между его элементами. Если связь рвётся, то часть функций «отмирает». Функции имеют надёжную физическую подоснову, следовательно, информационный носитель этой подосновы — цифровая физическая модель.

С другой стороны, кирпич в стене ничего не знает о том, как стена, в которой он лежит, связана с функциональностью строительного объекта. То же можно сказать и о любом физическом строительном элементе здания. Следовательно, физическая модель, спроектированная как средство удовлетворить требования к функциональности, после своего воплощения в металле и бетоне становится самостоятельной сущностью, отделяясь уже и от своего первоначального подчинения функциональности. В качестве примера можно привести расширение здания вокзала, когда наружная несущая стена становится внутренней, но от этого не меняет ни своей формы, ни содержания/свойств. Таким образом, физическая модель — это только то, что составляет физическую реальность, для неё нет прошлого и будущего, для неё всегда существует только настоящее, с точки зрения критерия времени — она инвариант. Она равноправна в отношениях с функциональной и прочими процессными моделями. Ей безразлично — какая власть на дворе, какие цены и расценки, какие законы принимают и отменяют люди. Кирпич в стене или есть, или его там нет. Всё построение процесса моделирования ЖЦ в постчертёжной парадигме должно начинаться с определения физической, Ф-модели.

Как уже понятно, концепция Ф-модели не имеет ничего общего с парадигмой проектировщиков (портфельного освоения инвестиций). Ф-модель — это описание целевой реальности. Поэтому если процесс строительства конкретного объекта во времени движется от проектирования к эксплуатации (из начала — в конец), то структуры метаданных Ф-модели для PLM-системы ОФКС следует разрабатывать в обратном порядке, от эксплуатации к проектированию (из конца — в начало).

Как понимать выражение «целевая реальность» применительно к Ф-модели? Рассмотрим пример многоквартирного жилого дома. Для жильца квартиры существуют такие понятия, как стол, стул, диван, телевизор, кухонный гарнитур и т.д. Они составляют для него важные объекты описания реальности. Но если вы придёте в жилищно-эксплуатационную компанию, обслуживающую этот дом, то в разговорах сотрудников вы часто услышите другие понятия: стояки, лифты, чердак, кровля, подвал, вентили и т.п. В какой квартире имеется телевизор или холодильник, и какой марки, ЖЭК не интересует. Мы имеем два очень разных «домена» описания одной и той же реальности, которые соединяются между собой общим понятием — индивидуальные счётчики ресурсов. Причина в том, что цели у участников взаимодействия с объектом реальности — разные. А это значит, что при попытке классифицировать объекты на выходе мы получим разные классификаторы. Как учесть в модели, что целевая реальность превращается на практике в мультиреальность?

Реляционная и постреляционная модели управления данными

Целое поколение программистов-прикладников выросло на реляционных базах данных. Обычная схема разработки предписывает определить запросы к данным, а затем построить архитектуру СУБД из таблиц, ключей и связей между ними, удовлетворяющую этим запросам. Дьявол в том, что важнейшим требованием эффективности обработки запросов к реляционным СУБД является то, что проектный перечень запросов должен быть полным, то есть конечным. Это хорошо работает на виртуальных объектах в языках объектно-ориентированного программирования, где свойства явно прописываются в классах. Но физический объект, в отличие от виртуального, имеет бесконечное число свойств. Работая с моделями реальности, мы всегда работаем с недоопределёнными объектами — всё зависит от цели взаимодействующего с моделью субъекта. Значит, Ф-модель, предлагаемая на значительный временной отрезок (десятки лет), должна иметь потенциально неограниченную возможность расширения определений.

Здесь на помощь приходит относительно новая научно-практическая разработка — формализованная онтология. В отличие от реляционных таблиц здесь используется сетевая модель данных. Вместо формирования перечня запросов идёт целевое описание сущностей предметной области и связей между ними, причём определение связей расширено, а свойства вынесены из классов в самостоятельные иерархии. В итоге мы получаем бесконечно расширяемую сетевую модель, которая может обработать любой запрос, — если в модели есть запрашиваемая информация, то вы её получите. В этом — основа цифрового двойника реального физического объекта. И, что важно, – самостоятельного взаимодействия этих двойников, без участия человека.

Куда катится мир, или Конец тоннеля

[Раздел взят из статьи «International experience and development trends of information modeling technology in relation to the life cycle of railway infrastructure facilities» в International Journal of Open Information Technologies ISSN: 2307-8162 vol. 8, no.12, 2020, в подготовке которой автор принимал непосредственное участие.]

Поскольку «цифровой двойник» стал «модным» термином, то появились многочисленные спекуляции на эту тему, когда цифровыми двойниками стали называть практически все виды информационных моделей.

Довольно подробное исследование этой терминологии дано в диссертации Линни Бесжак и Кассандры Линдквист из Швеции (Linnea Bestjak, Cassandra Lindqvist «Assessment of how Digital Twin can be utilized in manufacturing companies to create business value», School of Innovation, Design and Engineering, Mälardalen industrial technology center, Sweden, 2020).

Определение термина раскрывается через взаимосвязь между реальным физическим объектом и его цифровым прототипом — см. табл. 1.

Таблица 1. Анализ определений

Из определений становится понятна эволюция и роль BIM-инструментов в жизненном цикле физического объекта.

«Цифровая модель» (ЦМ) применима на стадии проектирования объекта, когда можно оптимизировать параметры будущего объекта. Важным свойством ЦМ является возможность прогноза, в том числе по типу «что если». Виртуальный прогноз дешевле, а иногда единственно возможен. Таким образом, главная задача ЦМ — оптимизация проектных решений.

«Цифровая тень» (ЦТ) позволяет получить информацию с датчиков контроля текущего состояния уже построенного объекта. Здесь важную роль играет объединение «прогнозной» BIM-модели с системой поддержки принятия решений, поскольку прогноз основывается уже не на прогоне всех возможных вариантов, как в ЦМ, а на конкретных исходных данных с датчиков. Таким образом, главная задача ЦТ — показать оператору «что будет» и предложить вариант действий.

«Цифровой двойник» (ЦД) позволяет не только получать информацию о текущем состоянии, но и удалённо управлять системами физического объекта. Поскольку двустороннее взаимодействие наиболее эффективно для систем с нелинейной обратной связью, то переход к ЦД означает постепенное удаление человека из управления системами физического объекта и передачу функций управления искусственному интеллекту и роботам. Таким образом, главной задачей ЦД можно назвать автономность.

BIM и BOM

Реальная эксплуатация разрушает весьма искусственную концепцию LOD-ов. Допустим, опустились в детализации монтажа (LOD 300) до покупного объекта «Стрелка с приводом». Но при ремонте стрелки в инструкции сказано «открутить гайку 6, снять пружину 18…»… Если модель не может обеспечить полную наглядность ремонта, то как мы потом обеспечим роботизацию ремонтных операций (где обучение ремонтного робота идёт на модели), а значит, и автономность объекта? Автономность подразумевает значительное насыщение строительного объекта киберфизическими системами и стирает грань между строительством и машиностроением. А значит, вышеуказанный пример изделия корректен и неслучаен.

В концепции LOD-ов оставлена лазейка: LOD400 и LOD500, где в последнем случае говорится об информации, «достаточной для передачи в эксплуатацию». Кто это будет определять? Проектировщик?.. (Налицо опять «прямой ход» в разработке структур данных ЖЦ, вместо «обратного», и связанные с этим проблемы).

Отсюда следует вывод о том, что единственно правильным представлением при импорте элемента в Ф-модель будет конструкционный состав изделия (конструктивный BOM – bill of materials). На базе конструктивного BOMа формируются «монтажный BOM» (стройка) и «ремонтный BOM» (эксплуатация). «Вес модели» для конкретных требований отображения регулируется. Таким образом, Ф-модель основных фондов допускает, при необходимости, упрощение модели реального изделия, в то время как концепция LOD100-500 предполагает последовательное усложнение проектной (виртуальной?) модели.

В силу вышеизложенного, не существует BIM-моделей 4D, 5D, 6D и т.п., есть модель физического объекта (Ф-модель) и процессы, которые вторичны по отношению к физической модели и хранят временные данные в ссылочных базах данных. Это хорошо заметно при передаче модели с этапа на этап, когда многие данные, важные для одного этапа ЖЦ, оказываются совершенно лишними для другого. Если объект инвестирования, такой как железнодорожный вокзал, существует 100 лет, то кого сейчас интересуют строительные сметы начала прошлого века?..

А вот конструктив остаётся. А значит, и стандарт, по которому изготавливали кирпичи для стен, и марки стали, из которых отливали балки, продолжают жить в них, хотя в мире импульсивного человечества эти стандарты уже несколько раз поменяли, отменили и забыли (почувствуйте Вечность неодушевлённого мира и ещё раз прочтите гениальные стихи Бродского ).

Графические пояснения

Ниже приведены две схемы, поясняющие вышесказанное. Схемы приведены исключительно в качестве иллюстрации текста, пытаться их использовать без серьёзной профессиональной переработки настоятельно не рекомендуется.

Рис. 1. Основные классы и структурные типы онтологической модели инфраструктуры

Рис. 2. Структурный тип «Конструкция», пример заполнения экземпляров типа

Куда уехал цирк проектная документация

Любую практическую деятельность, даже такую уникальную, как «проект», можно разбить на три уровня: Технология, Управление, Экономика. Проектная документация, как инструкция для подрядчика, относится к временным данным процессов (процесс Строительство) и должна храниться в программах, связанных с управлением постройкой объекта (уровень Управление), а не с инженерными моделями ОФКС (уровень Технология). Инженерная модель ОФКС (физическая, Ф-модель) это отдельная сущность и отдельная программа.

Чертёж и на стройке поджимают

[Раздел взят из статьи «International experience and development trends of information modeling technology in relation to the life cycle of railway infrastructure facilities» в International Journal of Open Information Technologies ISSN: 2307-8162 vol. 8, no.12, 2020, в подготовке которой автор принимал непосредственное участие.]

Новая парадигма (ЖЦ по моделям) обязана порождать новые технологии работы, которые не присутствовали в предыдущем технологическом укладе (2D). Первыми из числа таких технологий появились технологии «виртуальной реальности» (VR) и «смешанной реальности» (MR). В практике строительства и эксплуатации с помощью BIM как бесчертёжной технологии более перспективной представляется технология смешанной реальности (mixed reality, MR), особенно в операциях разметки и монтажа.

Развитие технологии смешанной реальности лимитируется:

• эффективностью позиционирования на участке проведения работ (до нескольких миллиметров);
• возможностями визуализации, надёжностью и эргономичностью MR-очков;
• стоимостью индивидуального комплекта электронных устройств и средств позиционирования в рабочей зоне.

Технология смешанной реальности получила широкую известность на рубеже 2013-14 годов (как её ранний прототип — дополненная реальность, augmented reality, AR), однако её дальнейшее развитие сдерживается вышеуказанными более высокими требованиями к специализированным электронным компонентам. Тем не менее надо отметить достижения последнего времени:

• компания Microsoft создала MR-очки как рыночный продукт широкого пользования;
• ведущая компания по разработке оборудования для инженерного геопозиционирования Trimble относительно недавно приобрела компанию Tekla, сосредоточив таким образом в своих руках ключевые элементы технологии, необходимые для перехода к работе без чертежей на стройплощадке.

Надо отметить, что техническое совершенствование электроники и программ для смешанной реальности, а также снижение их стоимости идут довольно быстрыми темпами, следовательно, появление первых образцов промышленных продуктов, реализующих полноценную бесчертёжную технологию для стройплощадки, можно ожидать в ближайшие несколько лет.

Онтологическое заключение

Развитие темы, так близкой и понятной крупным компаниям, отягощённым значительными объёмами ОФКС, вызвало ощущение близости порога, или перехода, за которым количество накопленных знаний переходит в качество новой реальности.

«И внял я неба содроганье,
И горний ангелов полёт,
И гад морских подводный ход,
И дольней лозы прозябанье…»
А.С. Пушкин

Спи спокойно, Александр Сергеевич. Даже если не удастся ублажить шестикрылого серафима, всё равно теперь мы понимаем — КАК описать реальность.