ЦИФРОВАЯ ПЛАТФОРМА ДЛЯ УЖЦ

 

ЦИФРОВАЯ ПЛАТФОРМА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЖИЗНЕННЫМ ЦИКЛОМ ОБЪЕКТОВ СТРОИТЕЛЬСТВА

 

Abstract. В статье представлены исследования, направленные на формирование адаптивной системы управления на основе информационного подхода и цифровизации процессов управления. Предложена концептуальная динамическая модель адаптивной системы управления крупномасштабными и технически сложными строительными объектами, состоящая из двух контуров управления с описанием их функционального назначения. В материале предложена методика программирования на основе графика ключевых событий проекта, являющаяся основой для построения эталонной модели реализации проекта.

В свою очередь эталонная модель является основным элементом адаптивного контура управления, представленная операторами перехода, записанными в матричном виде, удобном для машинного применения. На основе ресурсного подхода для эффективной выработки управляющих воздействий, предлагается выделить три уровня управленческих решений: оперативный, тактический и стратегический. Систематизированы и классифицированы интерфейсы и сервисы адаптивной системы управления, как описание ее цифрового профиля. В исследовании представлены результаты практической реализации предложенных подходов авторским программным комплексом, являющемся основой для формирования адаптивной системы управления. 

 

Section 1

Цифровые технологии давно и прочно вошли в арсенал науки и техники как эффективный инструмент исследования, управления, автоматизации интеллектуального труда. Сегодня никого не удивить роботизированными промышленными комплексами, супервычислительными и коммуникационными системами, созданием искусственного интеллекта [1].

Вместе с тем, несмотря на широкое распространение цифровых технологий, в ряде отраслей их влияние на производственные процессы, и процессы управления можно считать недостаточными [2-4].

 

Широко используемая BIM-технологии информационного моделирования в строительстве эффективно решает ряд задач, связанных с автоматизированным проектированием и выпуском рабочей документации, однако, вопросы организационного построения производственных структур, а тем более управление ими данная система практически не решает. Различные проектные, строительные и научные организации, понимая широкие перспективы и потенциальные возможности от внедрения современных методов организации строительства и управления им, сами разрабатывают информационно-управленческие системы, но попытки эти единичны и не приводят ощутимому эффекту [5-7]. Во многом это обусловлено разобщенностью работ, отсутствием кадров, обладающих строительными и цифровыми компетенциями и сложностью поставленной задачи, решение которой, как нам представляется находится на границе строительной и информационной науки.

Анализ путей возможного развития эффективных методов управления созданием крупномасштабных строительных проектов, позволяет предложить сосредоточить внимание на разработку адаптивной системы управления ключевыми событиями жизненного цикла технически сложных и уникальных строительных проектов. Функционирование системы управления поясним с помощью упрощенной схемы (рис.1).

системы управления

Рис. 1 Концептуальная модель адаптивной системы управления

 

Э.М. – эталонная модель;

Р – регулятор;

О.С. – объект строительства;

ВАУ – вычислительно-аналитическое устройство;

А.А. – алгоритм адаптации;

q(t) – программное значение параметров;

c(t) – сигнал, парирующий возмущающее воздействие η(t);

w(t) – сигнал рассогласования адаптивного устройства.

Как видно из схемы, система адаптивного управления состоит из двух контуров: основной контур решает задачи программного управления с компенсацией возмущающих воздействий, а адаптивный контур управления вырабатывает управляющий сигнал рассогласования, являющийся разностью между текущими параметрами и показателями строительства (программными значениями этих показателей).

 

Адаптивный контур управления содержит в себе важнейшую часть системы: эталонную модель системы управления. Фактически эталонная модель объекта является цифровым аналогом объекта управления. Особенностью этой модели является то, что она не стационарна. В каждый момент времени реализации проекта она меняет свою конфигурацию и текущие параметры. Создать такую модель на основе аналитического подхода крайне трудно, кроме того модель теряет наглядность и не воспринимается как реальный объект строительства.

В решении этого вопроса целесообразно прибегнуть к теории графов и методике программирования на основе графика ключевых событий проекта, где в качестве проектной единицы принимается событие [8]. Цепь ключевых событий реализации проекта в конечном счете приводит к достижению цели строительства.

расчет

модель ключевых событий проекта

Рис. 2 Логико-смысловая модель ключевых событий проекта

 

Детализацию событий проекта можно довести до элементарного уровня событий, реализующихся на основе выполнения операций или элементов операций. Рисунок 2 поясняет это положение. Построив график ключевых событий проекта, мы фактически создаем логико-смысловую модель проекта. Наполнив ее технологическим содержанием, мы получаем эталонную модель реализации проекта.

 

Примером, подтверждающим практическое применение представленной логико-смысловой модели, является методика взаимоувязки различных процессов в строительном проекте, реализованная в программном комплексе по управлению проектами капитального строительства «Plan-R» компанией «Цифровые практики» [9]. Интегрированный график проекта, включающий работы по всем видам деятельности, является совокупностью нескольких локальных графиков, соответствующие работы между которыми непосредственно связаны между собой. Однако вопреки традиционному подходу к формированию сетевых моделей, связь локальных графиков проекта в Plan-R осуществляется не только с помощью логических зависимостей, но посредством единой системы кодирования работ, в соответствии с которой производится назначение кодов связки. Коды связки должны быть назначены на все работы локальных графиков проекта. Используя эти коды, программный комплекс автоматически формирует типовые системные технологические взаимодействия в рамках интегрированного графика. Модуль расчета в составе Plan-R (рис.3) позволяет на базе графика по основному вида деятельности проекта (в составе интегрированного графика), например, графика строительно-монтажных работ, автоматически рассчитать и определить директивные (целевые) сроки работ для всех, обеспечивающих строительно-монтажные работы процессов (проектирование, поставка оборудования, получение разрешительной документации).

 

Интерфейс автоматизированной связи

Рис. 3 Интерфейс автоматизированной связи и индикации синхронизации работ основного и обеспечивающего графиков

 

Таким образом, в программном комплексе реализуется один из важнейших элементов адаптивного контура исследуемой модели управления – эталонная модель графика. Текущий, регулярно актуализируемый интегрированный график, относящийся к основному контуру модели управления, естественным образом приобретает различные отклонения по срокам работ от целевой модели, оказывая влияние на сроки ключевых событий всего проекта. Модуль контроля ключевых событий в Plan-R позволяет анализировать прогнозное отклонение сроков ключевых событий по отношению к эталонной модели проекта, тем самым генерируя тот самый сигнал рассогласования (рис 4.).

 

Визуализация состояний

Рис. 4 Визуализация состояний ключевых событий проекта

 

Для уточнения данного сигнала программный комплекс позволяет автоматически формировать управляющие цепочки работ для каждого ключевого события отдельно, тем самым определяя источники рассинхронизации. Также, вычислительно-аналитическое устройство в составе адаптивного контура реализовано в виде механизма индицирования временных коллизий между соответствующими работами локальный графиков в составе интегрированного графика проекта. Plan-R автоматически определяет рассинхронизацию сроков работ различных видов деятельности, генерируя цветовые индикаторы (цвет индикатора характеризует степень критичности выявленной коллизии), что в общем случае и является сигналом рассогласования процесса сооружения с эталонной моделью. Используя данные о прогнозных смещениях сроков ключевых событий и выявленных временных коллизиях проектным офисом, вырабатывается парирующий возмущающее воздействие сигнал. Компенсирующие меры, внесенные в интегрированный график, позволяют вновь вернуть его к целевой модели насколько это возможно.

 

Подход ярко демонстрирует объем и необходимые трудозатраты только для того, чтобы создать необходимое взаимодействие различных производственных структур для обеспечения технологического процесса. Несмотря на применение цифрового инструментария, сам процесс взаимоувязки, а по существу создание интегрированного графика строительства базируется на использовании ручного труда высококвалифицированных специалистов. Изменить это положение возможно при помощи цифровизации проектирования и управления строительными процессами.

 

Возвращаясь к диаграмме ключевых событий проекта, необходимо описать условия перехода от события к событию. Предлагается процесс перехода от одного события к другому описать оператором перехода , в котором в определенном порядке описываются работы и необходимые ресурсы для достижения следующего события [10]. Все условия перехода атрибутируются. Очевидно, что оператор перехода от одного элементарного события к другому будет иметь описание операции и необходимый ресурс для ее выполнения (материалы, комплектующие, число исполнителей и их квалификация, необходимые приспособления и механизмы). Примерный вид оператора перехода покажем на рисунке 3.

оператор перехода

Рис. 5 Примерный вид элементарного оператора перехода

 

Атрибутируя все операторы перехода по признакам уровня, порядковому номеру в диаграмме мы получаем алгоритмический язык для описания процесса строительства, удобный для машинного применения.

 

Таким образом мы подошли к формированию эталонной модели проекта, где структурную часть логических связей исполнительных элементов проекта необходимо вести от высшего (первого уровня) до элементарного, а цифровую (содержательную) часть от элементарного до высшего, как сумму элементарных операторов.

Формирование системы управления целесообразно начать с его основного контура программного управления и создание исполнительской части системы управления. Исполнительская система управления представляет собой необходимый набор функциональных блоков, включающих однотипные операции и работы. Состав функциональных блоков определяется конкретной технологией реализации проекта. Разрабатывается система текущих строительных показателей, совместимая с системой эталонной модели строительного проекта. Исходя из особенностей системы текущих показателей строительства эталонной модели формулируются требования к вычислительно-аналитическому устройству. Механизм адаптации должен обеспечивать приспособление системы к изменяющимся условиям функционирования, и в первую очередь трансформировать организационную систему управления в соответствии с текущей фазой жизненного цикла проекта. Эта часть задачи решается программным методом на основе эталонной модели проекта.

 

Разработка архитектуры адаптивной системы описывает ее профиль. Методологическая основа для разработки профиля может служить эталонная модель, определяющая концептуальный базис и системный подход к классификации интерфейсов и сервисов (рис.4).

системы управления

Рис. 6 Цифровая платформа адаптивной системы управления

 

Вторая задача должна рассматриваться как целенаправленный процесс приспособление параметров системы и ее структуры при изменении характера и условий окружающей среды. Эта задача решается путем выработки управляющих воздействий, сформированных на основе анализа динамики параметров окружающей среды и соответствия им структуры и параметров самой системы. В результате сопоставления потока данных о состоянии окружающей среды с логикой и возможностью системы вырабатываются три уровня управленческих решений:

 - оперативный уровень предполагает принятие решения, компенсирующего рассогласования текущих параметров окружающей среды от директивных значений системы на уровне операций, без изменения структуры или вида операции. Как правило, это функция синхронизации операций;

 - тактический уровень использует возможность изменения структуры системы с возможностью перераспределения ресурсов внутри самой системы;

 - стратегический уровень принятия решения предусматривает привлечение извне для компенсации значительного отклонения параметров окружающей среды от расчетного.

Эффективная реализация предложенных принципов создания адаптивной системы управления жизненным циклом крупномасштабных и технически сложных объектов возможно лишь на основе цифровой платформы, с привлечением специализированных предприятий, работающих в тесном взаимодействии с проектными и строительными организациями. В этой связи целесообразно рассматривать вопрос формирования цифрового профиля системы управления строительством, как отдельного направления подготовки организаторов строительного производства с развитием новых цифровых компетенций. 

 

Сопоставляя предложенную концепцию системы управления жизненным циклом крупномасштабных и технически сложных объектов на основе информационного подхода и цифровизации с существующими в настоящее время в строительстве иерархическими, многоуровневыми системами управления можно увидеть колоссальную разницу в скорости обработки информации, несравнимые объемы информационного потока, значительное уменьшение управленческого персонала, резкое уменьшение неоптимальных и ошибочных решений. Адаптивная система управления на современной цифровой платформе может реализовать различные алгоритмы соответствия организационной структуры и параметров строительного объекта изменяющимся внешним условиям и аппроксимировать динамику событий в условиях неопределенности.

 

ВЫВОД:

Достичь решающих изменений в строительстве возможно лишь путем формирования динамической организационной структуры и разработки адаптивных систем управления сложными строительными комплексами. Причем решение этой задачи должно происходить на основе информационного подхода с широким использованием возможностей цифровизации.

Произвести детальный анализ существующих программных продуктов на предмет возможности применения в адаптивной системе управления объектами и функциональной совместимости с создаваемыми BIM-моделями.

В связи с отсутствием специалистов, хорошо знакомых с теорией автоматического управления, организацией и технологией строительства и машинного программирования одновременно, необходимо формировать центры цифровых компетенций на базе авторитетных научно-исследовательских и образовательных организаций, для разработки цифровых методов интерпретации реальных производственных процессов, моделирования и программирования жизненного цикла крупномасштабных и технически сложных объектов в условиях большой неопределенности предстоящих событий.

 

Литература (стиль Section (no number))

[1]          Kudryavtseva, V.A., Vasileva, N.V.  On the development of a united digital platform in the construction industry. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, 880(1),012079

[2]          Halttula, H., Haapasalo, H., Silvola, R. Managing data flows in infrastructure projects - The lifecycle process model. Journal of Information Technology in Construction, 2020, 25, с. 193-211

[3]          Succar, B., Poirier, E. Lifecycle information transformation and exchange for delivering and managing digital and physical assets. Automation in Construction, 2020, 112, 103090

[4]          Vo, K.D., Nguyen, P.T., Le Hoang Thuy To Nguyen, Q. Disputes in managing projects: A case study of construction industry in Vietnam. Journal of Asian Finance, 2020, Economics and Business 7(8), с. 635-644

[5]          Sutrisna, M., Goulding, J. Managing information flow and design processes to reduce design risks in offsite construction projects. Engineering, Construction and Architectural Management, 2019, 26(2), с. 267-284

[6]          Song, Z., Xiao, K., Cheng, T., Guo, W. Study on tunnel whole life cycle management and application based on BIM technology [基于BIM技术的隧道全生命周期管理及应用研究]. Xi'an Jianzhu Keji Daxue Xuebao/Journal of Xi'an University of Architecture and Technology, 2020, 52(1), с. 47-53

[7]          Kozhevnikov M.M., Ginzburg A.V., Kozhevnikova S.T. Сreation of the information system based on the integrated evaluation of a construction object at various life cycle stages. Journal of Physics: Conference Series. International Scientific Conference on Modelling and Methods of Structural Analysis 2019, MMSA 2019. 2020. С. 012117

[8]          Morozenko A., Krasovskiy D. Formation of the Organizational Structure Based on Project Matrix. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, 661(1), 01212

[9]          http://dppm.pro

[10]          Morozenko A. Resistance enhancement of construction project organizational structure.

IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, 869(6), 062013.