Содержание к диссертации
Введение
1. Интегрированная строительная САПР ОК для автоматизированных систем 19
1.1. Методы автоматизированного проектирования ОК для современных строительных САПР 19
1.2. Известные методы и инструментарные средства решения проблемы проектирования контура здания и визуализации тепловых потоков .26
1.3. Теоретические основы интеграции методов автоматизированного проектирования в строительные САПР 27
1.4. Архитектура подсистемы автоматизированного проектирования ОК для интегрирования в строительные САПР 41
Выводы по главе 1 45
2. Данные, модели, методы и алгоритмы САПР ОК . 47
2.1 Архитектура и типы данных САПР ОК 47
2.2 Модели САПР ОК .49
2.3. Методы и алгоритмы САПР ОК . 51
2.4 Мониторинг функционирования системы проектирования САПР ОК. 59
Выводы по главе 2 .62
3. Подсистема проектирования САПР ОК .64
3.1. Структура ПО подсистемы проектирования САПР ОК .64
3.2. Структура базы данных САПР ОК 68
3.3. Информационное обеспечение подсистемы проектирования САПР ОК 71
3.4. Структура базы знаний подсистемы проектирования САПР ОК .74
Выводы по главе 3 76
4. Организация функционирования подсистемы САПР ОК .77
4.1. Архитектура подсистемы проектирования и модули работы пользователя САПР ОК 77
4.2. Интерфейсы лабораторных установок для реализации подсистемы проектирования САПР ОК 88
4.3. Функционирование подсистемы САПР ОК 94
4.4. АРМ подсистемы проектирования САПР ОК .96
Выводы по главе 4 .102
Основные результаты исследования .104
Список сокращений и условных обозначений 105
Словарь терминов .106
Список литературы .107
Список иллюстративного материала .114
Приложения .117
- Методы автоматизированного проектирования ОК для современных строительных САПР
- Методы и алгоритмы САПР ОК
- Архитектура подсистемы проектирования и модули работы пользователя САПР ОК
- АРМ подсистемы проектирования САПР ОК
Методы автоматизированного проектирования ОК для современных строительных САПР
При проектировании зданий и сооружений в настоящее время имеется необходимость интеграции различного функционала в системах автоматизированного проектирования (САПР) [42]. Обусловлено это тем, что при проектировании, к примеру, плана здания, все расчеты по результирующим тепловым потокам потребуется выполнять вручную, равно как и проверки на правильность и точность их построения [6].
Ограждающая конструкция (ОК) - это конструкция, выполняющие функции ограждения или разделения объемов (помещений) здания [13]. Такие конструкции ограничивают объём здания (сооружения) и разделяют его на отдельные помещения.
В настоящее время широко распространены ряд продуктов для автоматизированного проектирования. Рассмотрим наиболее известные и зарекомендовавшие себя. Одним из таких продуктов является AutoCAD [89]. В настоящее время, имея всевозможный инструментарий и средства адаптации к различным требованиям пользователей, он тем не менее не удовлетворяет требования большинства проектировщиков. Данный программный продукт может быть использован при разработке очень небольших и простых систем, автоматизируя только типовую работу при вычислениях. Современному проектировщику требуется гораздо больший функционал, чем просто качественное и визуально приемлемое выполнение чертежей. Разработчики продолжили развитие своей системы, выпустив пакет для архитектурно-строительного проектирования Autodesk Architectural Desktop. Продукт ориентирован, прежде всего, на профессиональную аудиторию и специалистов в строительной области [22]. AAD (Autodesk Architectural Desktop) включает как возможности AutoCAD , так и дополненными инструментариями, для реализации всех стадий выполнения проекта. С использованием AAD пользователь выполняет все необходимые шаги для разработки, с использованием всех требуемых данных. Первым шагом является концептуальное проектирование: создается архитектурная модель[2] виртуальная часть необходимого здания или сооружения. Далее создается трехмерная модель, которая необходима для выдачи всей необходимой дополнительной документации и информации. В ходе разработки внедрены "интеллектуальные" [55] объекты, обладающие дополнительными особенностями, изменяющими их состояние на чертежной плоскости [14]. Следует также отметить, что все выходные данные напрямую связаны с моделью [48,49] и динамически обновляются. Разработчик обращает свое внимание только на визуальную модель конструкции и может не беспокоиться об обновлении всех связанных с ней документаций.
ArchiCAD, разработанный Graphisoft, - следубщий программный продукт, позволяющий вести разработку различных архитектурных проектов и решений. В ArchiCAD можно в едином информационном пространстве работать над созданием модели и заполнять соответствующую прикладную документацию, так как продукт запоминает всю необходимую и даже избыточную для ряда пользователей информацию.
Программный пакет ArfaCAD, Российских разработчиков, позволяет работать с объектами и строительной терминологией: виды конструкции, типовые элементы структуры конструкции. Данная технология позволяет создавать всевозможные нетиповые объекты без ограничений по их характеристикам и внешним параметрам. Существует дополнительная система преобразования двухмерных чертежей и планов в полноценные трехмерные проекции. Allplan немецкой фирмы Nemetschek является актуальным продуктом для строительных проектов. Данная САПР, предлагает всесторонний подход к чертежам и строительному проектированию. Программа имеет в основе базу объектно-ориентированных типовых сущностей и объектов; она дополнительно реализует связь чертежа с различными проекциями и дополнительными моделями визуального представления.
Одной из перспектив развития САПР, является объединение с системами в смежных направлениях [19]. Например, типовая взаимосвязь может быть определена между чертежными средствами и расчетными системами [62] , а также чертежными инструментами и прикладными программами для дополнительного функционала [8]. Если после проектирования здания необходимо выполнить визуализацию тепловых потоков по определенным методикам или произвести расчет каких-либо конструкций, программы следует интегрировать [42]. Объединение в ходе автоматизированного проектирования различного типа систем соединит в одном информационном пространстве все шаги проектирования [50]. Так, при интеграции функции построения тепловых потоков с реализацией подсистемы в существующие автоматизированные системы, будет получена результирующая САПР [35] , которая исключит ручные расчеты и позволит не только интегрировать функцию визуализации тепловых потоков, но и выполнять их оперативное перестроение, что делает возможным качественный анализ и сравнение двух и более вариантов претендующих на оптимальные построения, что было бы невозможно сделать в режиме реального времени путем ручных расчетов [51].
Следует также отметить об отсутствии данного типа автоматизированных систем в строительстве. Использование существующих средств автоматизации на начальном этапе и внедрение интегрированной подсистемы для дальнейших расчетов, выполнения визуализаций, обосновано тем, что первый этап, который включает проектирование плана здания в настоящее время может быть реализован средствами современных строительных САПР, таких как OrCAD или ArhiCAD достаточно точно и эффективно, а выполнение дальнейших дополнительных операции над планом, таких как создание контура, визуализация тепловых потоков, оптимизация и прогнозирование [23] в настоящее время не реализованы.
Выделим функции, которые в настоящее время не реализованы в автоматизированных системах:
-создание теплового контура чертежа с использованием современных методов и алгоритмов для повышения точности и эффективности расчетов - визуализация тепловых потоков на основе методов и алгоритмов с повышением скорости и сохранением требуемой точности;
- оптимизация и прогнозирование состояния контура при недостаточном количестве данных;
- выполнение автоматизированной визуализации при сложном характере распределения тепловых потоков;
На основе описанных функций, можем сделать вывод об актуальности и необходимости интеграции дополнительного функционала в существующие автоматизированные системы [82].
Одной из наиболее важных задач любых САПР, в том числе строительных, является визуализация и мониторинг выполнения проектных процедур. Проектные процедуры САПР ОК и их связь с типовыми функциями, описанными выше представлена на Рисунке.1.1.
При синтезе проектируются, а в процессе анализа выполняется оценивание возможных вариаций при проектировке заданных типовых элементов в ходе работы автоматизированной системы [92]. Оптимизация по одному критерию необходима для определения вектора экспортированных значений Y(f) при определенной структуре системы, значениях переменных X(f) и параметров, влияющих извне Q(f). Система может быть принята как заданная окончательно, в случае, когда обоснована структура ее частей, а также возможность их объединения в общую систему.
Методы и алгоритмы САПР ОК
В настоящее время, в ходе совершенствования средств автоматизации, все больше интеллектуальных функций закладывается в системы САПР: выполнение математических расчетов заданных объектов проектирования, анализ, синтез, моделирование [81], а также прокладка трасс элементов системы и ряд других[3]. Как было отмечено в главе 1, САПР ОК требует высокой степени точности. Достичь ее можно путем учета влияния всех наблюдаемых тепловых потоков, построение результирующего потока на основе уточняющих коэффициентов, а также с учетом типа конструкции, что также дополнительно позволит избежать некорректной визуализации контура. Дополнительно увеличить точность подбора параметров можно на основе алгоритма детектирования стационарного режима в подсистеме проектирования ограждающего контура, отличающийся объемом и характером анализируемых данных. Точность трассировки прокладки контура гарантирована использованием минимального шага, а также за счет включения условий проверки оптимальности построения контура и обновленных коэффициентов на каждой итерации работы предложенного алгоритма.
Модели, представленные для САПР ОК при максимальном взаимодействии с пользователем позволяют наиболее точно выполнить моделирование контура. В случае отсутствия ошибок производится учет определенных советов (рекомендации), которые позволяют пользователю выполнить проектирование контура наиболее оптимально.
Все методы касающиеся проектирования теплового контура в среде САПР можно условно разделить на две большие подгруппы: методы для анализа оптимальности конструкции зданий и сооружений, методов для анализа возможности построения конструкции зданий и сооружений. К рекомендациям первого типа относятся:
- Компоновка нагревателей;
- Смена класса ограждающей конструкции;
- Трассировка труб к нагревателям;
- Тип используемых нагревателей;
- Учет зон промерзания контура;
Рекомендации второго типа определяют:
-Характер построения теплового контура;
- Связи нагревателей с тепловым пунктом;
- Замкнутость контура;
Применение при разработке обслуживающей подсистемы и элементов визуализации с использованием адаптивной технологии и технологии решения практических задач, в том числе для задачи обучения проектированию инженерных тепловых сетей, позволяет повысить эффективность обратной связи, проинформировать пользователя о возможных случайных ошибках. Также следует отметить наличие элементов самоконтроля. Визуализация данных в ходе расчетов позволяет исключить ошибку в трудоемких вычислениях и повысить конечную эффективность, а также зрительное восприятие результатов и обеспечить поддержку принятия решений пользователю [78].
Выделим суть метода определения сопротивления теплопередачи на основе экспериментальных данных:
1. Детектируем значения температуры , в которых амплитуда температурные изменения (воздушных потоков на границе ОК) не более двух градусов и продолжительность, которых не менее заданного.
2. Определяем величину наиболее близкого критического значения функции на заданном локальном интервале .
3. Удаляем интервалы начала заданного промежутка времени , которые пересекаются с .
4. Вводим допустимую погрешность измерения температуры
5. В случае несоблюдения неравенства , выполняем исключение результата измерения. В случае, когда число непринятых результатов больше принятого значения , рассматриваемый температурный диапазон определяем как невозможный для определения стационарного режима.
6. В случае, когда измерение соответствует требованию , выполняем вычисление итогового сопротивления теплопередаче.
Метод автоматизированного проектирования САПР ОК, включающий метод расчета термического сопротивления и метод интеграции в современные строительные САПР, реализован в алгоритмах определения стационарного режима и идентификации ситуаций и принятия решений, так как в них рассчитываются коэффициенты поправки, на основе разницы классического метода расчета термического сопротивления с предложенным. Метод расчета коэффициентов, используемый в данных алгоритмах может быть определен как нахождение среднего арифметического из набора данных.
Разработанная подсистема САПР ОК включает алгоритмы проектирования наружных инженерных сетей, в том числе наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений. Система автоматизированного проектирования ограждающих конструкций (САПР ОК) включают компоненты управления и слежения за ограждающими конструкциями, которые препятствуют потере тепла в зданиях, построенных по устаревшим нормам, путем введения ограждающего контура, функционально состоящего из нагревательной пленки с возможностью удаленного управления. При управлении ограждающим контуром особенно важное внимание следует уделять точности, так как это напрямую влияет на качество работы системы автоматизированного управления контуром здания в целом. Все расчеты тепловых характеристик ограждающих конструкций в настоящее время предусмотрены для стационарного режима, что осложняет настройку САПР ОК в связи с трудоемкостью обработки большого количества статистических данных [74]. Задачу решает алгоритм определения стационарного режима, осуществляющий обработку статистических данных и детектирование моментов времени со слабой корреляцией температурных показателей. Алгоритм позволяет определить моменты времени, когда изменение температурных данных минимально в течение заданного времени (60 секунд). Число датчиков выбрано равным 9, по числу датчиков в лабораторной установке, что также накладывает ограничения на рассчитываемые значения математически – рассчитать требуется также 9 значений температурных данных. Блок-схема алгоритма определения стационарного режима, количества
Алгоритм определения стационарного режима [66] , позволяет определить временные интервалы слабой корреляции данных температуры, которые поступают с ограждающих конструкций. Такие данные, полученные с лабораторной установки, отражают климатические состояния в стене ОК и являются основой для нахождения необходимого установившегося режима. В случае нахождения режима с незначительным отклонением, алгоритм принимает его за близкий к стационарному и на основе его проводит расчет сопутствующих параметров, необходимых для определения свойств ограждающей конструкции и правильной настройки САПР ОК. Следует также отметить, что данные о температуре являются нестабильными, что требует постоянного слежения за ними. Такое слежение особенно важно во время смены времен года, а также резких изменениях климатических условий. Особенное влияние смена времен года оказывает на границы параметров контура, таких как температурные диапазоны, принятые за близкие к стационарному, которые также определяют условия выполнения алгоритма.
Архитектура подсистемы проектирования и модули работы пользователя САПР ОК
Выделим основные процедуры функционирования подсистемы САПР ОК:
1. Подготовка чертежа в автоматизированной системе и создание модели контура в двоичном формате DXF с программной моделью контура на основе импортированного чертежа
2.Визуализация тепловых потоков в импортированном чертеже, оптимизация модели контура и проверка на ошибки, а также проверка на оптимальность [16]. Проверка контура на ошибки построения необходима при сложном характере распределения тепловых потоков.
3.Дополнительное уточнение построения на основе пользовательского интерфейса, в том числе на начальном этапе в автоматическом режиме, на основе начального варианта визуализации.
4. Дополнение базы знаний в процессе работы системы, в случае, когда, к примеру, когда введены не типовые характеристики материала конструкции. Изменение базы знаний влечет за собой также дополнение автоматических начальных вариантов визуализации. В случае, например, смены параметров конструкции с «дерево» на «бетон», автоматически дополнятся правила базы знаний, учитывающие тип конструкции, а также изменится начальный автоматически предложенный вариант.
5. Чертеж с оптимизированным и проверенным на ошибки контуром, с внесенными изменениями, при необходимости, с помощью графического интерфейса пользователя записывается в базу данных и может быть доступен как для дальнейшей работы с ним, так же и для экспорта обратно в формат DXF. Опишем подробнее основные блоки проектирования САПР ОК. (Рисунок.4.1).
Блок извлечения и доступа к данным чертежей конструкции. Функцией данного модуля является импорт DXF файла с данными конструкции в подсистему визуализации.
Блок визуализации тепловых потоков. Выполняет визуализацию тепловых потоков в импортированном с помощью модуля импорта чертеже. Данный модуль является интеллектуальным, так как дополнительно также включает в себя функцию прогнозирования характера теплового потока. Модуль визуализации – ключевой элемент в архитектуре подсистемы САПР ОК, так как данный модуль выполняет наиболее трудоемкую, сложную с точки зрения расчетов и оптимизации операцию построения тепловых потоков.
Основные сложности при визуализации тепловых потоков:
- Необходимость учета сложного характера распределения тепловых потоков.
- Учет взаимного влияния тепловых потоков друг на друга.
- Оперативные расчеты тепловых потоков в случае наложения двух и более тепловых потоков от различных источников.
- Учет распределения тепловых потоков в самом контуре в зависимости от материала конструкции с необходимой точностью.
Блок поддержки принятия решений. Данный блок необходим для оперативного расчета итоговых визуализированных тепловых потоков, так как в случае реализации элемента интерактивности, вычисления в модуле визуализации являются трудоемкими и не позволяют выполнять вычисления в режиме реального времени. Использование модуля уточнения визуализации на основе перестроения областей с наложением двух и более тепловых потоков позволит выполнять расчеты оперативно и с сохранением точности. Графический интерфейс пользователя – блок для связи пользователя с подсистемой посредством визуального представления информации и оконных форм. Графический интерфейс оконных форм с возможностью изменения параметров контура удобен для выполнения подбора параметров контура, его типа и материала, при определенных неизменных выбранных других параметрах, либо наоборот подбор всех оптимальных параметров, при известных границах контура и определенном чертеже.
Блок сценариев начального варианта визуализации – обеспечивает автоматизированное построение тепловых потоков на основе известных параметров контура, но без известных, либо частичных данных о чертеже. Позволяет проанализировать выданный подсистемой вариант визуализации, а также в дальнейшем скорректировать его, при необходимости. Начальный автоматический вариант визуализации эффективен, когда неизвестны данные о чертеже конструкции, либо информация о чертеже ограничена.
Блок базы знаний или динамических данных. Выполняет информационное обеспечение модуля визуализации и модуля начального варианта визуализации. База знаний хранит правила о специфических особенностях построения тепловых потоков. К примеру, в случае нахождения проблемной зоны, такой зоны контура в которой температура не достигает комфортной или даже намного ниже ее.
Добавление новых правил в базу знаний. Добавление новых правил в базу происходит по мере накопления базы данных с включением дополнительных материалов конструкции, типов нагревателей и новой элементной базы.
Проверка контура на ошибки построения. Проверка выполняется после визуализации тепловых потоков. В случае, когда контур здания имеет сложный характер распределения тепловых потоков, требуются также дополнительные корректировки в его типе, связанные, прежде всего, с большим количеством изгибов и сложности оптимальной первоначальной трассировки в данном случае. Автоматически будут предложены меры по сокращению количества углов, однако данный блок также отвечает за отключение автоматического уменьшения количества углов, которое в редких случаях не требуется. Данное исключение, как правило, действует на небольшие по размерам контуры, когда важны все особенности исходного контура, даже неоптимальные с точки зрения трассировки.
Экспорт чертежей конструкции с тепловыми потоками. После выполнения всех проверок результирующий чертеж экспортируется обратно в двоичный формат DXF. Такое обратное преобразование файла позволяет реализовать интерактивную компоненту подсистемы с существующими автоматизированными системами.
База данных с экспортированными чертежами. Необходима для сохранения типовых чертежей с тепловыми потоками, также на основе данной БД выполняется выбор данных используемых в начальном построении.
Модуль визуализации тепловых потоков является одним из основных элементов структуры, а также связующим элементом. Поскольку при визуализации необходимы данные о параметрах конструкции, возможные ошибки и их прогнозируемая величина, а также наиболее вероятное распределение температуры, в случае отсутствия данных, то именно данный элемент структуры объединяет все остальные, без него функционирование подсистемы возможно лишь в ограниченном режиме, для математических расчетов параметров конструкции. Модуль визуализации использует информацию, как базы данных, так и базы знаний. База данных хранит варианты некоторых начальных вариантов визуализации, а база знаний особенности распределения тепловых потоков.
АРМ подсистемы проектирования САПР ОК
Автоматизированное рабочее место (АРМ), может быть рассмотрено как рабочее место проектировщика подсистемы, с использованием инструментальных средств, для решения ряда поставленных задач, в том числе детектирования стационарного режима [39] , исходя из этого, структуру АРМ подсистемы проектирования САПР ОК можно представить в виде набора программных и аппаратных компонентов[1].
При этом главную роль в таком наборе компонентов играет именно ПО составляющая, с предъявлением типовых требований по необходимым характеристикам (к вычислительным ресурсам). ПО АРМ САПР ОК может быть разделено на системное ПО и прикладное. Ключевым элементом системного ПО является операционная система (ОС), а также набор программ необходимых для ее корректной работы. Дополнительное прикладное ПО, используемое в АРМ решает задачи непосредственно имеющие значения для функционирования подсистемы, а также обработки статистической информации с датчиков посредством снятия информации с ЛУ.
Рекомендации для пользователя в прикладном ПО учитывают все аспекты некорректного построения контура и возможные ошибки в ходе проектирования. Однако даже при выполнении всех условий и соблюдении всех рекомендаций, могут возникнуть ситуации, когда качество проектирования может быть дополнительно повышено, на основе ещё более оптимальных настроек и расположения элементов контура. Средством достижения такой оптимальности являются комментарии, заметим, что первый тип рекомендаций активируется тогда, когда не выявлена необходимость рекомендаций второго типа. ориентированы на решение определенного класса задач. Прикладное программное обеспечение является основным видом пользовательского программного обеспечения. Примером такого прикладного программного обеспечения является ТЕРЕМ-4 [68]. Как правило, АРМ, реализующее данную функцию работает в сетевом режиме, по причине необходимости постоянного сбора данных в режиме 24/7 с контура, а одиночный режим работы используется, когда требуется выполнить обновление БД статистической информацией до актуального состояния [88]. Следующей функцией является поддержка принятия решения [25] и обучение с использованием АРМ САПР ОК [69]. Пример интерфейса АРМ для поддержки принятия решения об исключении проблемных зон представлен на Рисунок.4.16.
Все комментарии, используемые в интерфейсе АРМ САПР ОК, также разделим на два класса. Первый класс комментариев – информативные, используется тогда, когда необходимо сообщить пользователю особенности совершенного им действия.
К информативным комментариям можно отнести 2 группы определяющие:
- тип выбранного нагревательного элемента;
- тип ограждающей конструкции;
- тип теплового пункта;
- характер распределения тепловых потоков;
- зоны тепловых потоков итд [68];
В зависимости от требований к тепловому контуру, могут быть включены также дополнительные аддитивные критерии, к примеру, по пороговому среднему значению коэффициента энергоэффективности для всех используемых в тепловом контуре нагревателей.
Введение более жестких критериев для комментариев с целью обучения может повысить энергоэффективность проектируемого контура, однако, следует учитывать, что не для каждого контура возможно достижение предельной оптимальности (значения от 95% и выше), поэтому предварительная настройка комментариев производится также индивидуально и возможна только руководителем обучения (курса).
Основные характеристики датчиков:
1.Диапазон измерения -55…+300 градусов Цельсия;
2. Пределы основной погрешности измерения +-0.5 градусов Цельсия;
Рассмотрим пример расчета поправочных коэффициентов для алгоритмов определения стационарного режима и идентификации ситуации и принятия решений, а также обоснуем повышение точности построения на 10 C. Наибольшая эффективность по сравнению с аналитическими методами расчета распределения температуры в ОК детектирована при максимальной разности по модулю значений датчиков ДТС-01_1 и ДТС-01_2. К примеру, для ноября 2014 года такая разность приходится на 04.11.2014 и 06:29:00 по Московскому времени. 20
Таким образом, рассмотрен пример расчета поправочных коэффициентов для алгоритмов определения стационарного режима и идентификации ситуации и принятия решений, а также обосновано повышение точности построения тепловых потоков в материале конструкции на 10 C ±0,5.