Пробелы инженерного образования: феномен языка

Аннотация

Когнитивные проблемы освоения графических дисциплин объясняются внедрением компьютерных технологий. На кафедрах графики происходит переориентация учебного процесса на преподавание современных методов компьютерного 3D моделирования. Высказываются мнения о вторичности чертежей или даже об отказе от них. В статье предлагается взгляд на чертежи как на разновидность текста. В качестве обоснования «лингвистического поворота» отмечается уникальная роль естественного языка как средства актуализации и распространения знаний. Прослеживается сходство основных свойств чертежей со свойствами текстов. Такими свойствами являются: дискретность элементов, конвенциональность, параметрический стиль описания объектов, концептуальность, иерархическое структурирование, контекстность восприятия. Утверждается, что определяющим условием реализуемости чертежей является не геометрическая точность изображений, а языковая точность, позволяющая «понять» чертёж и установить связь содержимого чертежа с технологиями производства объекта или его компьютерной модели. Обосновывается исключительная роль чертежей как языка техники, отвергается возможность замены чертежей 3D моделированием. Устанавливается взгляд на проектную документацию как на составную часть единой пирамиды знаний. Подчёркивается роль концепции вычислимых знаний в эффективном использовании знаний. Приводится список вопросов, которые могут быть включены в содержание преподавания «языка техники».

Ключевые слова: когнитивные проблемы, чертёж, 3D моделирование, вычислимые знания, язык техники, техническая документация, проект.
Цитирование: Ямпольский А.А. Когнитивные проблемы освоения графических дисциплин при подготовке инженеров // Онтология проектирования. 2024. Т.14, №3(53). С.335-343. DOI:10.18287/2223-9537-2024-14-3-335-343.
Конфликт интересов: автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Введение

Теоретической основой графических дисциплин является начертательная геометрия, которая изучает способы изображения пространственных объектов на плоскости. Её практическое применение развивалось по двум направлениям: в исследовательском направлении на основе плоских изображений решались пространственные задачи; в коммуникативном направлении изображения рассматривались как элементы языка, позволяющего создать общее согласованное представление о пространственной организации объектов. Развитие исследовательского направления на кафедрах графики видят в переориентации учебного процесса путём переноса центра тяжести с чертёжных методов решения геометрических задач на их решение с помощью современных программ 3D моделирования. Коммуникативная роль начертательной геометрии имеет прямое отношение к чертежам, требования к которым приведены, например, в [1]. Чертёж должен быть:

• средством восприятия чужих и передачи другим своих мыслей;
• наглядным, т. е. по изображению предметов на плоскости мог создавать их пространственное представление;
• обратимым, т. е. таким, чтобы по нему можно было точно воспроизвести форму, размеры и положение предметов;
• осуществимым, т. е. обеспечивать возможность изготовления по чертежам объектов.

Во многих работах отмечаются недостатки в преподавании графических дисциплин и намечаются пути их преодоления, в основном связанные с внедрением компьютерных технологий (см., например, [2]).

В статье предлагается обратить внимание на коммуникативное направление развития графических дисциплин. Оно связано с языком, через язык — с обработкой знаний. Исследования в этой области носят глобальный характер и дают многообещающие результаты (см., например, [3, 4]). В статье развиваются результаты работ автора, представленные на портале isicad.ru [14-17].

1. Язык инженера

В основе проектирования лежат два процесса: первый — приобретение, второй — распространение знаний. Невозможно сказать, что важнее: способность найти правильное техническое решение или способность объяснить свои намерения, донести свои знания до окружающих. Единственным средством передачи знаний является язык. «Лингвистический поворот» означает смену парадигмы: от парадигмы «это всё о геометрии» к парадигме «это всё о языке». Чертеж на рис. 1 наглядно демонстрирует эволюцию в этом направлении. На чертеже нет «точных» проекций. Тем не менее, арматурные сетки, изготовленные по этому чертежу и по аналогичному чертежу, выполненному с какой угодно геометрической точностью, будут одинаковы.

Рис. 1. Производственный чертёж арматурных сеток

Причина в том, что чертёж не геометрически, а семантически точен, т. е. содержит ровно столько числовой, текстовой и графической информации, чтобы с привлечением доступных технологий физический объект или компьютерная модель могли быть осуществлены.

Нетрудно заметить параметрический стиль описания арматурных сеток на чертеже. Параметрическое описание, как правило, включает в себя следующие элементы:

• формализованные концептуальные схемы объекта (изображения);
• числовые и символьные параметры объекта, ссылки, пояснения;
• вспомогательные элементы, например размерные и выносные линии.

Параметрическое описание вполне можно рассматривать как пиктографический текст (см. рис. 2).

а) концептуальная схема арматурной сетки; б) выноска с присоединёнными параметрами: позицией стержня и шагом стержней данной позиции; в) размеры с присоединёнными числовыми и символьными параметрами

Рис. 2. Пиктограммы на чертеже

Чертёж на рис. 1 не является исключением, все строительные чертежи построены на основе параметрического подхода. С учётом сказанного, можно дать общее формальное определение чертежа.

Чертёж —лингвистическая модель, содержащая концептуализированное (параметрическое) описание объекта и состоящая из фрагментов пиктографического и алфавитно-цифрового текста¹.

¹ См. также ГОСТ Р 2.109-2023. Национальный стандарт Российской Федерации. Единая система конструкторской документации. Основные требования к чертежам. Дата введения 2024-03-01. Прим. ред.

2. Взгляд на чертёж как на текст

Проектную документацию принято делить на две части. К первой относятся графические документы (чертежи), ко второй — документы, содержащие в основном сплошной текст. Эволюция чертежей постепенно стирает границу между этими частями.

Сходство традиционного текста и графических изображений на чертежах подтверждают следующие их свойства.

Дискретность (членимость). В тексте всегда можно вычленить его составляющие: буквы, слова, предложения, абзацы, главы. Пиктограммы на чертеже обладают тем же свойством и изображаются так, чтобы их обособленность была очевидна.

Нечувствительность к точности изображения. Напечатанное или написанное «от руки» слово вызывает один и тот же образ; пиктограмма арматурной сетки (см. рис. 2) не требует тщательного выравнивания линий, соблюдения пропорций, углов наклона.

Различимость и конвенциональность. Языковые знаки алфавитного текста (например, слова) имеют конвенциональные (договорные) связи с предметами, которые они замещают. То же самое относится к знакам пиктографического текста — пиктограммам. Зрительное сходство знаков с замещаемыми предметами не обязательно; обязательна лишь различимость знаков. Знаки, обозначающие разные предметы, должны зрительно отличаться друг от друга (см., например, пиктограммы арматурных сеток и проёмов на чертежах перекрытий [5]).

Концептуальность. На рис. 3 приведён пример «сырого» (слева) и концептуализированного (справа) чертежей. Концептуализировать чертёж — значит, отбросить лишнее, не имеющее в данном контексте отношения к делу, и оставить только необходимое.

Иерархическое структурирование — деление на разделы, главы, параграфы, предложения, слова – неотъемлемое свойство текста, дающее возможность его восприятия. На рис. 4 представлены примеры структурирования пиктографического и традиционного текстов.

План типового этажа (рис. 4а) можно рассматривать как сложную пиктограмму, включающую в себя пиктограммы стен, помещений, оборудования и т. п. На плане выделены пиктограммы помещений угловой квартиры и помещений, лежащих на пути эвакуации из квартир. На рис. 4б перечислены требования к дверям на путях эвакуации. В целях облегчения машинной обработки текст структурирован по признакам «исполнения», «комплектации» и «запрета».

а) исходный чертёж б) концептуализированный чертёж

Рис. 3. Концептуализация чертежа

Рис. 4. Структурирование пиктографического (а) и традиционного текстов (б)

Контекстность. Текст невозможно понять без учёта контекста. Чертежи обладают тем же свойством. Чертёж на рис. 1 понимается в силу того, что он входит в состав раздела «Конструктивные решения», является детализацией схемы армирования и содержит в основной надписи слово «Сетка».

Реализуемость чертежей полностью зависит от наличия технологий: компьютерных — для реализации в виде цифровых моделей; производственных — в виде реальных объектов.

Если технология существует, то достаточно иметь концептуальную схему, указать параметры и дать ссылку на технологию. Если для сложного объекта специальной технологии не существует, применяется метод иерархической декомпозиции. Объект путём ссылки на детализирующие чертежи разбивается на более простые объекты. Процедура упрощения повторяется до тех пор, пока все объекты на чертеже не получат технологической поддержки.

3. 3D модели как замена чертежей?

Не вызывает сомнений, что 3D моделирование успешно справляется с решением аналитических (прочностных, теплотехнических, геометрических и пр.) задач. Однако способность моделей «объяснять» самих себя далеко не очевидна. В 3D моделях нет абстрактных объектов, таких как «типовой этаж», «типовой узел», «перегородка», «расстояние»; есть конкретные этажи, узлы, перегородки и расстояния. На рис. 5 показано, к чему, с точки зрения «понимания», приводит подход, основанный на необходимости копировать в модели каждый экземпляр объектов реального мира.

Рис. 5. 3D модель арматурного каркаса монолитного здания

Не менее проблематична возможность автоматической генерации чертежей. Например, получить чертеж, такой как на рис. 6, на основе анализа 3D модели рис. 5 под силу только будущему искусственному интеллекту. На самом деле, задача ещё сложнее: нужно автоматически создать не отдельные чертежи, а проектную документацию.

Рис. 6. Схема армирования перекрытия

3D модели используются для получения знаний об объекте. Процесс добывания новых знаний состоит в следующем: на основе начальных параметров строится модель; производится испытание модели; полученные результаты (данные) анализируются, начальные параметры корректируются. Процесс повторяется, пока не будет достигнут приемлемый результат, фиксируемый в общедоступном для понимания виде, например в виде чертежей.

4. Техническая документация

Техническую документацию в целом можно представить в виде многоуровневой пирамиды знаний. На верхнем уровне — федеральные законы и постановления правительства; ниже – отраслевые стандарты, нормы и правила; ещё ниже — типовые технические решения.

Каждый нижележащий уровень является конкретизацией вышележащего. Например, Федеральный закон № 384-ФЗ [см. 6] содержит общие требования безопасности зданий и сооружений. Свод правил [7] содержит требования к ограждающим конструкциям зданий. В первых же строках документа указывается, что он разработан в соответствии с Федеральным законом № 384-ФЗ. Обычной практикой производителей конструкций и материалов является выпуск альбомов технических решений, содержащих номенклатуру изделий и типовые варианты их применения. Как правило, альбомы содержат ссылки на нормативные документы, служащие гарантией качества и безопасности производимой продукции. Например, альбомы технических решений фасадных систем содержат ссылки на [7].

Рабочие проекты располагаются в основании пирамиды знаний и являются последней ступенью конкретизации перед осуществлением. Все виды документов, начиная от правительственных постановлений и заканчивая деталировочными чертежами рабочих проектов, соответствуют одному общему определению — иллюстрированный (алфавитно-пиктографический) текст.

Единая сущность подразумевает единый формат хранения. Фундаментальное требование к формату — ориентация на человеческое восприятие. Единственный надёжный способ предотвратить искажённое воспроизведение документа — сохранить его в растровом PDF формате².

² ГОСТ Р 2.531-2023. Единая система конструкторской документации. Электронная конструкторская документация. Виды преобразований. Дата введения 2024—03—01. Прим. ред.

Иллюстрированный текст, записанный в растровом формате, традиционно рассматривается как неструктурированная информация, ориентированная на восприятие только человеком. Прогресс в области машинного распознавания образов и обработки языков делают такую точку зрения устаревшей. Имеется возможность увеличить машинную понимаемость иллюстрированного текста с помощью семантической разметки растрового изображения [17].

Концепция вычислимых знаний сводится к обработке языка, машинному переводу естественно-языкового текста на низкоуровневый (исполняемый) машинный язык. Как работает машинное понимание, можно показать на примере интерпретации чертежей. Последовательность операций может быть следующей:

1. загрузка растрового изображения.
2. вычленение (распознавание) алфавитных и пиктографических фрагментов.
3. преобразование растровых фрагментов в графические примитивы: текст, линия, полилиния, размер, выноска и т. п.
4. определение семантической роли примитивов: граница вида, название вида, координационная ось, имя координационной оси, конструктивный тип объекта и т. п.
5. связывание размерных примитивов с узловыми точками геометрических примитивов, определение точных координат узловых точек.

На этом этапе из неточного растрового изображения получается геометрически точный векторный чертеж. Процедуру «понимания» можно продолжить, получив в итоге список низкоуровневых команд построения 3D модели. Программа машинной интерпретации точного векторного чертежа и построения на её основе трёхмерной модели разработана автором статьи в 2012 г. (см. 3д-интерпретатор строительных чертежей).

В свете сказанного в программе подготовки инженеров целесообразно предусмотреть изучение следующих вопросов.

Сотрудничество и его основы: знания, понимание и объяснение [8, 14]; концептуализация и иерархическая декомпозиция [9]; знаковые системы и роль естественных языков [15, 16]; стандартизация языка; форматы хранения и распространения знаний [17].

Источники знаний: учебники, справочники, нормативные документы, типовые проекты, архивные документы [10].

Исследования в процессе проектирования с целью получения недостающих знаний: компьютерное моделирование; результаты моделирования в виде данных; обработка данных и преобразование их в знания.

Алгоритмы составления и чтения чертежей [15, 16]: текстовая, естественно-языковая сущность чертежей; пиктограммы и текст на чертежах; параметризация; ссылки на компьютерные и производственные технологии.

Машинная обработка знаний: машинопонимаемые тексты, содержащие знания [17] машинная обработка языков [11]; поиск релевантных знаний [10]; системы поддержки принятия решений [12]; автоматическая проверка чертежей; машинная интерпретация чертежей [13].

Заключение

Предложенный подход к решению когнитивных проблем освоения графических дисциплин при подготовке инженеров означает «перезагрузку» графических дисциплин, изменение подхода к преподаванию предмета, увеличение роли и ответственности соответствующих кафедр.

Список источников

[1] Четверухин Н.Ф и др. Начертательная геометрия. М.: Высшая школа, 1963. С.9-11.

[2] Рукавишников В.А., Галиулина А.Р. Кризис графической подготовки — начало четвертой научно-технической революции. Казанский государственный энергетический университет.

[3] Friedman C., Flynn A. Computable knowledge: An imperative for Learning Health Systems // Learning Health Systems. Wiley, 2019. DOI: 10.1002/lrh2.10203.

[4] Wyatt J., Scott P. Computable knowledge is the enemy of disease // BMJ Health & Care Informatics, 2020. DOI: 10.1136/bmjhci-2020-100200.

[5] ГОСТ 21.201-2011. Условные графические изображения элементов зданий, сооружений и конструкций.

[6] Федеральный закон № 384-ФЗ. "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений".

[7] СП 50.13330.2012. Тепловая защита зданий. Дата введения 2013-07-01.

[8] Кузнецов О.П. Когнитивная семантика и искусственный интеллект // Искусственный интеллект и принятие решений. М.: Институт системного анализа РАН, 2012. № 4. С.95-105.

[9] Раков В.И. Системный анализ (начальные понятия): учебное пособие. М.: Изд. дом Академии Естествознания, 2012. 239 с.

[10] Кучуганов А.В., Касимов Д.Р. Графический поиск чертежей в хранилищах данных // Прикладная информатика. 2012. № 2(38). С.84-92.

[11] Белов С.Д. и др. Обзор методов автоматической обработки текстов на естественном языке // Системный анализ в науке и образовании. 2020. № 3. С.8-22. DOI 10.37005/2071-9612-2020-3-8-22.

[12] Борзых Н.Ю. Анализ систем поддержки принятия решений, их классификаций и методов принятия решений // Тенденции развития науки и образования. 2022. № 91-7. С.87-90. DOI 10.18411/trnio-11-2022-350.

[13] Ablameyko S., Pridmore T. Machine interpretation of line drawing images: technical drawings, maps and diagrams. London: Springer, 2000. 284 p.

[14] Ямпольский А.А. Когнитивное моделирование зданий. 18 июля 2013.

[15] Ямпольский А.А. Что вначале: чертежи или модели? 7.02.2022 г.

[16] Ямпольский А.А. Аксиомы проектирования. 8.06.2022 г.

[17] Ямпольский А.А. Цифровизация или цифровое болото. 19.02.2024 г.