Цифровизация: вычисление знаний

Рост количества публикуемых знаний становится серьезным препятствием для их эффективного использования. Одновременно растет понимание того, что традиционные методы обработки знаний не отвечают современным требованиям. Единственной альтернативой являются компьютерно-управляемые (вычислимые) знания.

Исследования в области компьютерной обработки знаний ведутся в медицине, финансах, в сфере обслуживания (см. [1] и [2]). На этом фоне строительная отрасль выглядит исключением. Цифровизация строительства понимается в первую очередь как обработка данных (информационных моделей, больших данных, цифровых двойников), что закреплено в самом названии объектной области — «среда общих данных». Роль знаний и их отличие от данных никак не акцентируются.

1. Использование знаний в традиционном проектировании

Прежде чем что-то менять, нужно разобраться, как все работало до «цифровизации». На рисунке ниже изображены потоки знаний, приводящие в итоге к реальному строительству.

Рис.1. Потоки знаний

Пояснения к схеме

1. Общее направление движения сверху вниз отражает процесс конкретизации знаний.
   Верхний уровень невелик по объему и содержит только общие требования. На следующих уровнях объем знаний и их конкретизация увеличиваются.
   Уровень технических решений самый обширный. Знания этого уровня конкретны и зачастую могут быть перенесены в рабочий проект с минимальной правкой.
2. Техническое задание и условия строительства выступают в роли фильтра, отсекающего знания, не относящиеся к проекту. Конкретизация и объем знаний рабочего проекта позволяют осуществить реальное строительство.
3. Знания каждого уровня являются источником знаний нижележащих уровней и должны проверяться на соответствие знаниям вышележащих уровней.
4. Нетрудно заметить, что с ростом конкретизации знаний растет количество рисунков в документах. Рисунки необходимы, когда для точной передачи смысла нет нужных слов, или нужно слишком много слов.
5. Экспериментальное моделирование — исследование и прогнозирование поведения системы с помощью методов математического моделирования. Как правило, экспериментальное моделирование является внутридисциплинарным.
6. Источником истины (законом) для строителей является рабочий проект.

Эта схема была общепринятой примерно до 2000 г. Ее основная проблема — переход от концепций к реальности; отсутствие промежуточного звена — виртуальной реальности. После 2000 года появилась альтернатива — BIM.

2. Использование знаний и данных в BIM проектировании

Я попытался определить место BIM на основании того, что является общепринятым в этой области. На мой взгляд, это следующее:

• модель-ориентированный метод проектирования;
• автоматизация получения чертежей из моделей;
• автоматизированная проверка моделей на соответствие нормативным требованиям.

Рис. 2. Потоки данных и знаний

Проблемы

1. Фактически строителям передаются два проекта: традиционный рабочий проект и проект в виде информационной модели (или нескольких моделей?). Разнородные взаимно пересекающиеся источники истины являются проблемой.
2. Модель-ориентированный подход в строительном проектировании сам по себе является проблемой (см. BIM: что это было?).

Ручная проверка больших моделей проблематична. С целью автоматизации проверок в рамках концепции BuildingSMART ведутся исследования по преобразованию текста нормативных документов в «вычислимые правила». При этом, речь идет только о тексте; рисунки и чертежи в документах игнорируются.

В основе BIM революции лежит тезис о «неполноценности чертежей». Если допустить, что модели создаются на основе чертежей и должны быть проверены на соответствие чертежам, модель-ориентированная идеология теряет смысл.

3. Шаг вперед в традиционном проектировании

Практически, с точки зрения вклада в проектирование, BIM оказался прорывом в области геометрической координации и визуализации.

Рис. 3. Потоки знаний + виртуальное строительство

Пояснение к схеме

Имитационное моделирование строительства — объективная (не на уровне концепций) проверка согласованности и реализуемости проекта. Как правило, речь идет о геометрической совместимости проектных решений разных дисциплин (в сложных случаях — в рамках одной дисциплины).

Несоосность отверстий, несовпадения опорных и посадочных площадок, пересечения конструкций и оборудования — типичные ошибки, выявляемые с помощью имитации строительства.

Вместо привычного BIM на схеме присутствует «Имитационное моделирование строительства». Это название точнее определяет изначальную концепцию BIM. Отказ от акронима BIM — вынужденная инициатива Nima (бывшего UK BIM Alliance). Слишком большим стало несоответствие между номинальным значением акронима и всем тем, что ему было приписано позднее.

Проблемой схемы на рис. 3 является общий вызов, стоящий перед строительной отраслью, — вычислимость знаний.

Решив проблему вычислимости, получим возможность:

• автоматически проверять один текст (например, рабочий проект) на соответствие другому (например, нормативным требованиям);
• автоматически на основе текста строить модели.

4. Использование IFC

Ниже приведены рекомендуемые BuildingSMART случаи применения формата IFC и мои комментарии к ним.

Обмен данными

Цитата: «IFC — это основа обмена данными между различными проектными группами и приложениями».

Комментарий. Проектные группы обмениваются минимальными наборами данных. Как правило, это данные, касающиеся монтажа конструкций и оборудования, — нагрузки, габариты, опорные и стыковочные узлы, элементы крепления.

Перепрофилирование моделей

Цитата: «Уже созданные информационные модели могут использоваться в других системах».

Комментарий. Вряд ли кому-то внушит доверие модель, прошедшая через несколько черных ящиков, например: архитектурная модель -> преобразование в IFC -> преобразование в аналитическую модель. Сложные и ответственные модели надежнее создавать с нуля и использовать строго по назначению.

Автоматизированная проверка IFC-моделей на соответствие нормативным требованиям

В отчете рабочей группы BuildingSMART при анализе различных подходов к решению этой проблемы в качестве объекта проверки используется IFC модель двухэтажного здания. Задача теста — проверить на соответствие нормам пути эвакуации из помещений.

Рис. 4. Проверка длины путей эвакуации

Комментарий. Очевидно, что эта проверка должна выполняться не в модели (в которой может быть 100 одинаковых этажей), а на плане типового этажа. Соблюдение нормативных требований нужно проверять на уровне концепций, а не их реализаций.

Схема IFC (скорее, ее облегченная версия) уместна для передачи простой геометрии в любую междисциплинарную модель, например, в имитационную модель строительства (см. рис. 3).

Универсальным способом сотрудничества на всех этапах проектирования и строительства является обмен знаниями. Формат обмена знаниями давно придуман — стандартизированный текст на основе естественного языка.

5. Использование вычислимых знаний

В BIM-проектировании актуальна проблема автоматизированной проверки моделей на соответствие нормативным требованиям. В традиционном проектировании объектом проверки является не модель, а рабочая документация.

В любом случае существует необходимость извлечения знаний из текстов, записанных на естественном языке. Возможность автоматического извлечения знаний из текста можно назвать вычислимостью знаний.

5.1. Формализация текстов на естественном языке

Формализация текста — процесс, аналогичный процессу трансляции в программировании; перевод с языка высокого уровня на низкоуровневый язык. В нашем случае речь идет о переводе с естественного языка на любой компьютерно-исполняемый язык.

На обозримую перспективу единственный способ решения проблемы — предоставить автору текста инструменты, позволяющие создать текст, понятный как человеку, так и компьютеру.

Вот как может выглядеть формализованный текст.

Рис. 5. Создание формализованного текста

Пример взят из статьи [3].

Хотя формализованный текст не совсем привычен, он вполне читаем и, возможно, более понятен, чем его прототип.

5.2. Формализация чертежей

Чертежи — тоже текст (см. Аксиомы проектирования).
Формализация чертежей принципиально не отличается от формализации обычного текста. Ниже представлен пример формализованного чертежа.

Рис. 6. Создание формализованного чертежа

Как и обычный текст, чертеж структурирован в виде иерархии блоков. Маркировка блоков обеспечивает внеиерархические связи. Блокам присваиваются наборы атрибутов.
Контекст вложенного блока задается атрибутами родительских блоков. Общим контекстом чертежа является текст в основной надписи чертежа.

В качестве примера на плане этажа выделены помещения, лежащие на пути эвакуации из угловой комнаты. В текстовом блоке «Экспликация помещений» под соответствующими марками указаны типы помещений в зависимости от их назначения.

6. Передача и хранение иллюстрированного текста

Иллюстрированный текст — это обычный текст, дополненный рисунками, или рисунки, дополненные обычным текстом.

Под это определение попадает большая часть проектной документации, а также значительная часть нормативной, справочной, научной, учебной и т. п. литературы.

Создание и редактирование формализованных иллюстрированных текстов должно выполняться в специализированных программах. Важный вопрос — какой формат выбрать в качестве стандарта для передачи и постоянного хранения таких текстов.

Традиционно универсальным способом хранения и распространения знаний были рисунки и тексты на бумаге. Растровый формат — электронный аналог бумаги. Его главное преимущество — универсальность и ориентация на человеческое восприятие. Понимание человеком изображений в растровом формате не является проблемой. Проблема в том, как обеспечить машинное понимание растрового изображения?

7. Маркированный растр

Анализ растровых изображений относится к классу задач распознавания образов. Как правило, компьютер распознает объекты хуже человека. Однако компьютеру можно помочь, предоставив дополнительную информацию в виде цветовой маркировки объектов.

Метод цветовой маркировки использует специальные цвета (цветовые маркеры) по аналогии с использованием специальных символов в текстовых редакторах.
Цветовой маркер — это пиксель, цветовой код которого определяет атрибут объекта (объект на рисунке представлен графическим символом). Цепочка цветовых маркеров размещается внутри пиксельного представления объекта в процессе растеризации. Понятно, что специальные цвета должны быть исключены из цветовых палитр.

Пример 1. На рисунке ниже показана цветовая маркировка объекта «Ось вращения».

Рис. 7. Цветовая маркировка объекта «Ось вращения»

Первый маркер обозначает начальную точку графического символа и его тип (в данном случае, «линия»); второй маркер — стиль линии («штрих-пунктир»); третий маркер — семантический тип объекта («ось вращения»).
Дополнительные маркеры размещаются в конечной точке каждого графического символа, а также во всех промежуточных узлах сегментированных символов (фигур).

Пример 2. Цветовая маркировка объекта «Помещение» (см. план этажа на рис. 6).

Рис. 8. Цветовая маркировка объекта «Помещение»

Первый маркер обозначает начальную точку и тип графического символа (в данном случае — «закрашенный полигон»).
Второй маркер обозначает тип объекта («помещение»).
Третий маркер указывает на то, что помещение расположено на пути эвакуации.

Пример 3. Цветовая маркировка формализованного текста.

Рис. 9. Формализованный текст на чертеже

Формализованный текст структурирован в виде вложенных друг в друга блоков. Цепочки цветовых маркеров размещаются в левом верхнем углу рамки каждого блока. Первый маркер обозначает тип графического символа («текст»).

Далее, в зависимости от содержания текста, могут следовать маркеры, обозначающие:

• предмет (область применения) текста, например, «двери на путях эвакуации»;
• требования исполнения, например, «должны быть выполнены»;
• требования комплектации, например, «должны быть укомплектованы»;
• требования запрета, например, «должны не иметь»;
• пункт перечисления «либо»;
• пункт перечисления «и»;

и т. д.

8. Заключение

Цифровизация может избавить от старых проблем, но может завести в цифровое болото. Двадцать лет топтания на месте ясно дают понять, где мы находимся. Достаточный срок, чтобы сделать выводы и, наконец, сменить дискурс.

(«...Хороший инженер тот, в чьих проектах используется как можно меньше оригинальных идей.» — Фримен Дайсон).

Суть и цель работы инженера не генерация данных, а поиск и адаптация знаний. Знания — это текст. Чертежи, рисунки — тот же текст, стандартизированная и расширенная за счет пиктограмм разновидность естественного языка.
Научить компьютер понимать язык строителей и есть главная задача цифровизации.

Ссылки

1. Jeremy Wyatt, Philip Scott. Computable knowledge is the enemy of disease (Вычислимые знания — враг болезни)
   https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7388882/.
2. Charles P. Friedman, Allen J. Flynn. Computable knowledge: An imperative for Learning Health Systems
   https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lrh2.10203.
3. Eilif Hjelseth, Nick Nisbet. Сapturing normative constraints by use of the semantic mark-up rase methodology.