Аксиомы проектирования

По образованию я инженер-строитель. В институте я слушал лекции, в которых постоянно звучало слово «проектирование», как правило, с дополнением: проектирование железобетонных конструкций, проектирование металлических конструкций. Я не припомню лекций о проектировании как самостоятельном предмете изучения.
Существует большая литература, в которой говорится о моделировании, исследовании, обработке данных, аналитических методах, о познании и объяснении, о роли языка.
Не разбираться в этих вопросах — значит, проектировать с завязанными глазами.

Оглавление

1. Цель проектирования — понимание
2. Понимание нового объекта
3. Человеческая интерпретация текста
4. Человеческая интерпретация чертежей
5. Проблемы чертежей и их решение
6. Машинная интерпретация чертежей — теория
7. Машинная интерпретация чертежей на практике

1. Цель проектирования — понимание

1.1. Ментальная модель

Все, что делают, — проектируют, строят, сотрудничают, принимают решения, — делают на основе ментальной модели — мысленного представления того, что должно быть сделано.

Понимание как процесс — это процесс построения ментальной модели.
Понимание как результат — построенная ментальная модель.

Единственная цель проектирования — создание непротиворечивого понимания у всех участников проекта.

Скорость проектирования равна скорости распространения понимания.

1.2. Исследование — необходимый этап достижения понимания

Исследование «незнакомого» реального объекта

В строительстве исследование реального объекта выполняется при проектировании реконструкции объекта. Исследование включает в себя такие операции, как осмотр, измерение, определение свойств и т. д. Исследовательские операции выполняются с помощью физических приборов.

Исследование «незнакомой» компьютерной модели объекта

Выполняется при получении компьютерной модели «со стороны». Принципиально не отличается от исследования реального объекта. Исследовательские операции выполняются средствами, предоставляемыми компьютером.

1.3. Обработка (анализ) данных

Существует предположение, что способность познавать не выходит за пределы нашей способности манипулировать знаками, т. е. за пределы языка.

Обработка данных, полученных в результате исследования, неизбежно включает в себя две языковые операции: концептуализацию и иерархическую декомпозицию.

Концептуализация — представление объекта в виде набора концепций.
Концепция — генеральная идея, освобожденная от деталей, незначимых на данном уровне рассмотрения.

Иерархическая декомпозиция — процесс пошагового уточнения, детализации концепций.

Например, общая концепция здания включает в себя архитектурную, технологическую, конструктивную и другие концепции. Архитектурная концепция здания включает в себя концепции цокольного этажа, типового этажа, технического этажа. Архитектурная концепция типового этажа включает в себя ... .

В итоге последовательных шагов концептуализации и декомпозиции достигается понимание того, что должно быть воплощено в реальность.

1.4 Объективация понимания

Выполнив исследование и анализ данных, исследователь, и только он, становится обладателем понимания.

Завершающий этап исследования — объективация полученных знаний в виде письменного документа.

Текст документа должен быть составлен на языке, принятом в качестве стандартного языка общения специалистов, участвующих в проекте.

В области строительства стандартным языком общения является язык чертежей. Чтение чертежей — это альтернативный (и менее затратный) по отношению к исследованию способ достижения понимания.

2. Понимание нового объекта

В начале проектирования нового объекта всегда имеется исходная ментальная модель, полученная на основе предыдущего опыта.

Исходная ментальная модель приблизительна, расплывчата и, как правило, нуждается в уточнении. Уточнение исходной ментальной модели осуществляется двумя путями.

1. Изучение источников, содержащих сведения об аналогичных объектах. Это могут быть учебники, справочники, типовые проекты и т. п.
2. Если письменных источников недостаточно, прибегают к моделированию. На основе исходной ментальной модели строят имитационные компьютерные модели и исследуют их поведение. Например, программу МКЭ расчета можно рассматривать как инструмент исследования и уточнения конструктивной концепции объекта проектирования. Проанализировав данные, полученные в результате расчета, мы получаем отчетливое представление о расположении, размерах и свойствах элементов проектируемой конструкции.

3. Человеческая интерпретация текста

Чтение письменных документов — учебников, справочников, стандартов и пр. — основной способ приобретения опыта в инженерной практике.

Успех чтения одинаково зависит как от способности понимать — со стороны читающего, так и способности быть понятым — со стороны читаемого.

Исключительная роль письменных документов в практике распространения знаний наводит на мысль о том, что понимать (интерпретировать) можно только текст. Все, что должно быть понято, должно быть предварительно представлено в виде текста.

Например, концептуализация и иерархическая декомпозиция — это необходимый этап наделения чувственных данных смыслом, приведения их к тексту.

С точки зрения формальной интерпретируемости, определяющими свойствами текста являются:

• синтаксическая членимость — разбиение массива текста на фрагменты: слова, предложения, абзацы;
• конвенциональность — подчиненность установленным правилам создания текста.

4. Человеческая интерпретация чертежей

4.1. Рисунки на чертежах

Особенностью чертежей является присутствие на них, наряду с обычными текстами, графических изображений. Нетрудно заметить, что качество и читаемость рисунков на чертежах напрямую зависят от того, обладают ли они характерными свойствами текста.

Членимость

Читаемый рисунок состоит из обособленных, легко выделяемых графических элементов — пиктограмм. Пиктограмма — условный знак, внешне напоминающий реальный или мыслимый объект, замещаемый этим знаком. По отношению к реальному объекту (конструкции) пиктограмма является концептуальной схемой объекта на данном уровне его рассмотрения.

В лингвистическом смысле пиктограмму можно считать аналогом слова в обычном тексте.

Конвенциональность

Внешний вид и размещение пиктограмм подчиняются правилам, установленным стандартами на составление чертежей.

Как видим, чертеж представляет собой сочетание фрагментов обычного и пиктографического текста. Текстовая сущность чертежа обеспечивает возможность его человеческой и машинной интерпретации.

4.2. Текстовый анализ чертежей

Ниже в качестве примера представлен текстовый анализ изображения производственного здания.

План производственного здания

План здания можно трактовать как комплексный текстовый блок, состоящий из отдельных фрагментов: обычных текстов и пиктограмм.

Тексты и пиктограммы на чертеже

1) – пиктограмма координационной оси с присоединенным текстом — названием оси;
2) – пиктограмма размерной цепи с присоединенными текстами — расстояниями;
3) – пиктограмма колонны с присоединенными пиктограммами координационных осей;
4) – пиктограмма выносной линии с присоединенным текстом — пояснением;
5) – пиктограмм вертикальной отметки поверхности на плане с присоединенным текстом — числовым значением отметки;
6) – пиктограмма ограждения;
7) – пиктограмма огражденного приямка с присоединенным текстовым обозначением, с присоединенными пиктограммами стремянки, размеров, отметки дна;
8) – пиктограмма стены с дверными и оконными проемами;
9) – пиктограмма двухбалочного мостового крана с присоединенным текстом — грузоподъемностью крана;
10) – пиктограмма лестничного марша с присоединенным текстом — обозначением лестницы.

4.3. Примеры плохих и хороших текстов

Ниже приведены примеры плохих и хороших текстов с точки зрения членимости.

Обычный и пиктографический текст

1) – грязный текст;
2) – понятный текст;
3) – нечленимый текст, воспринимаемый как обозначение одной сущности;
4) и 5) членимые тексты.

Чертежи балочного перекрытия

1) – нечленимый текст;
2) и 3) – членимые тексты с разделением колонн, основных и второстепенных балок;
На рис. 3) – двухуровневое перекрытие с выделенными особым цветом балками нижнего уровня (балки Б1).

Архитектурные планы этажей

1) – трудно читаемый текст с невыделенными уровнями этажа;
2) – уровни на отметках 0.000 и 1.400 выделены разным цветом и численно обозначены.

4.4. Детализация пиктограмм

Детализацию пиктограмм рассмотрим на примере проектирования вертикальных связей по покрытию.

Вертикальные связи по покрытию

а) — фрагмент продольного разреза по покрытию;
Ф1 — пиктограммы поперечных сечений ферм покрытия;
Вс1 — пиктограмма вертикальной связи между фермами;
б) — детальный чертеж вертикальной связи Вс1;
Ор — пиктограмма опорной разметки вертикальной связи;
Вп, Нп, Р1, Р2 — пиктограммы простых элементов вертикальной связи;
Сд1, Сд2т, Сд2н — пиктограммы сложных элементов, подлежащих дальнейшей детализации.

С каждым шагом детализации условное изображение элемента приближается к его реалистичному изображению.

Глубина детализации определяется из условия, что проект не будет остановлен из-за отсутствия понимания на каком-либо шаге его реализации.

5. Проблемы чертежей и их решение

5.1. Трудно обнаруживаемые ошибки

Ментальная модель, построенная по чертежам, является гипотетической моделью. Любая гипотеза потенциально содержит ошибки.

Решение проблемы:

• построение по чертежам компьютерной модели;
• «ручная» или автоматическая проверка модели на наличие ошибок;
• исправление фрагментов чертежей, являющихся источником ошибок.

5.2. Неоднозначная человеческая интерпретация

Как любой язык, чертежи подразумевают человеческую интерпретацию. Неоднозначность интерпретации может быть следствием недостаточной квалификации авторов и интерпретаторов чертежей, повышенной сложности объекта и т. д.

Решение проблемы:

• построение компьютерной модели по чертежам лицом, не принимавшим участие в разработке чертежей;
• просмотр и проверка компьютерной модели автором чертежей;
• исправление фрагментов чертежей, являющихся источником неоднозначной интерпретации.

5.3. Подсчет расхода материалов

«Ручной» подсчет расхода материалов на основании концептуальных представлений может содержать ошибки.

Решение проблемы:

• построение по чертежам компьютерной модели;
• автоматический подсчет расхода материалов на основании компьютерной модели.

5.4. Ручное моделирование как способ решения проблем чертежей

Универсальным решением проблем чертежей является создание на их основе компьютерной модели. Эта модель может быть создана «вручную» с помощью программ 3D моделирования.

Параметры описания конструкций извлекаются из чертежей и переносятся в интерфейс программы моделирования в качестве исходных данных построения 3D объектов.

Ручное моделирование по чертежам — затратный процесс, включающий в себя:

• первичные затраты времени и ресурсов на создание модели;
• постоянные затраты на ручную поддержку во взаимоувязанном состоянии двух «источников истины» — чертежей и модели.

5.5 Оптимальное решение проблем чертежей

Подведем итог предыдущих рассуждений:

• отказ от чертежей невозможен, т. к. он равносилен отказу от понимания;
• автоматическое получение чертежей из модели невозможно, т. к. трудно представить автоматизацию таких процессов, как исследование модели, концептуализация полученных данных, иерархическая декомпозиция концепций;
• чертежи в отрыве от модели имеют проблемы, связанные с интерпретацией, обнаружением ошибок и созданием спецификаций;
• ручное моделирование на основе чертежей проблематично из-за накладных расходов.

Остается единственный вариант — автоматическое создание моделей на основе машинной интерпретации чертежей.

6. Машинная интерпретация чертежей — теория

6.1. Машинная интерпретация обычных текстов

Общий процесс интерпретации текста на чертежах включает в себя два этапа:

• распознавание текста, т. е. вычленение текстовых фрагментов из множества объектов чертежа;
• интерпретация распознанного текста.

Задача распознавания фрагментов обычного текста решается методами оптического распознавания символов.

Интерпретация текста — это процесс выяснения его роли и влияния на проект.

Текстовый фрагмент может быть элементом основной надписи, заголовком изображения, пунктом технических требований, числовым или символьным обозначением, маркой, ссылкой и т. д.

Любой текст должен что-то изменить в машинном представлении проекта, иначе его можно без последствий удалить с чертежа. С этой точки зрения, интерпретация текста — это «перевод» с естественного языка на язык проектных операций. Перевод может осуществляться с помощью адаптированных методов машинного перевода.

Текстовые фрагменты на чертежах обычно стандартизированы — шаблонны. Общей стратегией «перевода» может быть следующая:

• формируется область проектных операций, инициируемых с помощью текстовых описаний;
• для каждой проектной операции формируется множество вариантов ее параметрического описания на языке, приближенном к естественному;
• в процессе интерпретации компьютер сравнивает исходный текстовый фрагмент с хранящимися вариантами и выбирает максимально совпадающий.

Например, «переводом» предложения «Отметке 0.000 чистого пола первого этажа соответствует абсолютная отметка 186.50» будет проектная операция, выполнение которой установит в базе знаний проекта связь между относительной отметкой 0.000 и абсолютной отметкой 186.5.

6.2. Машинная интерпретация пиктограмм

По аналогии с текстом, общий процесс интерпретации пиктограмм включает в себя две операции:

• распознавание пиктограмм, т. е. вычленение отдельных пиктограмм из множества объектов чертежа;
• интерпретация распознанных пиктограмм.

Пиктограммы на чертежах могут иметь вид штрихового или тонового рисунка.
Штриховая пиктограмма, по сути, является символом (иероглифом) и может быть распознана методами оптического распознавания символов.
Тоновая пиктограмма представляет собой заштрихованную или закрашенную замкнутую область. Распознавание тоновых пиктограмм может быть реализовано методами сегментации изображений.

Завершающий этап распознавания — преобразование пиктограммы в набор векторных примитивов: отрезков, полилиний, мультилиний, дуг и т. п.

По аналогии с текстом, интерпретация пиктограммы — это процесс выяснения ее роли и влияния на машинное представление проекта. Пиктограмма может быть обозначением конструкции, элементом пространственной координации, обозначением размеров и т. д.

С точки зрения влияния на проект, интерпретация пиктограмм — это «перевод» с технического языка чертежей на язык проектных операций.

6.3. Герменевтический круг

Метафорой «герменевтический круг» описывается характерная особенность процесса познания: целое познается пониманием его частей, а части — пониманием целого.

Интерпретация объекта чертежа — текста или пиктограммы — невозможна без учета предшествующих знаний, т. е. знаний, полученных в процессе предыдущих интерпретаций.

То, что прямоугольник на чертеже производственного здания (см. выше) является колонной, можно понять, если мы уже знаем, что:

• чертеж входит в комплект марки АР;
• в наименовании чертежа присутствует слово «План»;
• размер прямоугольника мал относительно размеров других пиктограмм;
• прямоугольник расположен на пересечении координационных осей;
• и т. д.

Проблема в том, что старые знания могут быть дискредитированы новыми. Например, неудачная попытка интерпретации распознанного объекта опровергает правильность его распознавания; интерпретация дочернего объекта может войти в противоречие с интерпретацией родительского.

Решение проблемы — построить общий процесс интерпретации в виде итерационного процесса — герменевтического круга. Условием выхода из круга будет достижение общего непротиворечивого понимания.

7. Машинная интерпретация чертежей на практике

Похоже, в России проблемой машинной интерпретации чертежей занимается только автор этой статьи. Понятно, что о комплексном решении проблемы говорить не приходится. Однако отдельные результаты получены.

Если в качестве исходной точки интерпретации вместо растрового принять векторный чертеж, то этим мы значительно упростим задачу компьютера. В этом случае проблемы, связанные с членимостью, распознаванием, векторизацией и частично с интерпретацией решает человек (автор чертежа) с помощью средств, предоставляемых векторным редактором.

7.1. Программа 3д-инт (интерпретация строительных чертежей)

Исходными данными для программы является векторный чертеж — файл в формате DXF.

Чертеж представляет собой набор видов, где под «видом» понимается стандартное проекционное изображение: план, фасад, разрез, сечение.

Вид представляет собой набор, состоящий из текстовых фрагментов и пиктограмм.

В текстовом формате вводятся заголовки и обозначения видов, марки конструктивных элементов, текстовые обозначения координационных осей, высотных отметок, линий разрезов и сечений. Тексты на чертеже создаются с помощью команды ТЕКСТ.

С помощью пиктограмм изображаются конструктивные элементы (колонны, балки и т. д.), элементы пространственной координации (линии разрезов и сечений, координационных осей, высотных отметок), вспомогательные графические элементы (границы видов, выносные линии). Пиктограммы создаются с помощью команд: ОТРЕЗОК, ПОЛИЛИНИЯ, МУЛЬТИЛИНИЯ.

В программе используются следующие основные понятия:

• начальный вид (план);
• дополнительный вид (разрез, сечение);
• тип конструктивного элемента (колонна, балка, стена, плита и т. д.);
• тип элемента пространственной координации (координационная ось, высотная отметка, линия разреза или сечения).

Для каждого понятия в таблице слоев чертежа создается отдельный слой с предопределенным именем. Тип объекта задается его привязкой к соответствующему слою.

Процесс интерпретации включает в себя:

• связывание проекций (пиктограмм) конструктивных элементов, расположенных на разных видах;
• формирование развернутого списка конструктивных элементов;
• формирование параметрических описаний конструктивных элементов;
• формирование командного файла — файла вызовов процедур, реализующих параметрические описания.

В результате исполнения командного файла создается 3D модель проектируемого объекта. Ниже в качестве примера представлены чертеж этажа подземной автостоянки и общий вид модели, построенной по чертежам.

План этажа и модель подземной автостоянки

Подробнее о работе в программе 3д-инт можно прочитать в статье
«Как делать интерпретируемые чертежи»
и в ее продолжении
«Как делать интерпретируемые чертежи - II: Пошаговая детализация объектов».

Скачать программу и руководство можно на сайте: http://3d-int.ru.

7.2. Программа 3д-интП (проектирование монолитных безбалочных перекрытий)

Технология машинной интерпретации чертежей позволяет создать новый класс программ автоматизации проектирования. Отличительные признаки новых программ — специализация и использование в качестве интерфейса естественного языка проектировщиков — языка чертежей.

3д-интП — вероятно, первая программа, относящаяся к этому классу. Она представляет собой адаптацию программы 3д-инт к конкретной области применения — проектированию монолитных перекрытий. С этой целью добавлены новые типы объектов и новые возможности, позволяющие выполнить расчет потребности материалов.

Исходными данными для программы являются традиционные для данного вида проектирования схемы: схема опалубки плиты, схемы нижнего (в двух направлениях) и верхнего (в двух направлениях) армирования плиты.

Конструктивные элементы плиты — зоны термоизоляции, поля армирования, каркасы усиления — задаются на чертеже в предельно лаконичном, концептуальном стиле.

Результатом работы программы является преобразование концептуальных описаний в детальные 2D и 3D модели. На основе полученных моделей формируются спецификации к схемам расположения, а также сводная ведомость расхода материалов.

Ниже в качестве примера представлены чертеж верхнего армирования плиты и общий вид модели, построенной по чертежам.

Схема верхнего армирования и модель плиты перекрытия

Подробнее о работе в программе 3д-интП можно прочитать в статье
«Автоматизированное проектирование монолитных безбалочных перекрытий»
и в ее продолжении
«Автоматизированное проектирование монолитных безбалочных перекрытий. Часть 2».

Скачать программу и руководство можно на сайте: http://3d-int.ru.