Роль искусственного интеллекта в архитектонике урбанизированного пространства

На современном этапе развития человечества разработаны и созданы технические и философские концепции в архитектуре и урбанистике, базирующиеся на системности и комплексности, т. е. системном подходе и системном анализе. Цифровые интеллектуальные технологии и компьютерное моделирование, представили сегодня проектировщикам сложных архитектурных объектов новые пути созидания в формообразовании и новые формы интеллектуального выражения архитектурных образов в градостроительстве. Действие системного фактора, при котором система, как целое, устанавливает заданные требования своим компонентам, а сами требования предъявляются с позиции достижения целевой функции – оптимизация эргономичности, экологичности, гармонии, композиции и надежности во времени существования «архитектурного произведения» – составляют основу проблемы исследуемой в данной работе.

Для решения задачи представляем математическую модель объектного образа «архитектурное произведение» в виде множества элементов динамической системы закрытого или открытого типов, используя при этом представляемую выше методологию «нечетких технологий». Динамическая система здесь составляется из основных определений (компонент «архитектурного произведения», выбранных в качестве основных характеристик), [9,112-114,117-119].

Алгоритм решения модели представим в виде И/ИЛИ-графа с выделением решающих подграфов. Такой алгоритм является одним из «механизмов» планирования решения особо сложных и плохо формализуемых задач, к которым относится проектирование и создание архитектурных произведений (ансамблей или объектов), [87, 117-119].

Исходную задачу (1) задаем начальным описанием в виде

, (8.1)

где - образ «архитектурное произведение»;

- множество начальных состояний образа;

- множество «операторов», переводящих предметную область (проектирование, создание) из одного состояния в другое, согласно знаниям проектировщика системы;

- множество целевых состояний.

Здесь «оператором» является отображение, преобразование, переводящее элемент функционального пространства () в другой элемент того же самого пространства, или какая-либо функция. Промежуточные состояния обозначим через .

Конечной целью сведения основной задачи оптимального проектирования «архитектурного произведения» к подзадачам, является получение элементарных задач, решения которых очевидны.

Элементарными считаем задачи, которые могут быть решены за один шаг, т.е. за одно применение какого – либо оператора из множества (например, использование уже готового проекта, отдельного фрагмента, ордера).

Таким образом, необходимо привести начальное описание исходной задачи (1) к совокупности более простых задач в пространстве состояний, если удастся выделить основные и оптимальные промежуточные состояния создаваемого «архитектурного произведения».

Каждому из этих состояний в соответствие можно поставить свое описание в виде троек:

(8.2)

Решение этих подзадач эквивалентно решению исходной задачи .

На этой идее построен в теории систем искусственного интеллекта основной «механизм» сведения сложной многоэкстремальной задачи к подзадачам, использующий эвристические методы поиска в пространстве состояний, [117].

Представим структуру «архитектурное произведение» в виде динамической системы вида:

, (8.3)

где - архитектурное произведение комплексный эстетический механизм (семантика ансамбля, стиль),

- знания интеллект (творчество, эвристика),

- восприятие искусство (целостность),

- образ интуиция,

- отображение эстетика (выразительность),

- композиция гармония,

- пропорции симметрия (соразмерность),

- трансформация изоморфизм,

- устойчивость катастрофа (разрушение),

- конструктивность пластичность,

- экологичность надежность (живучесть),

- внешняя среда неопределенность (хаос),

- топология время.

Здесь символ «» обозначает взаимно-однозначное соответствие,

«» - внешний фактор.

Таким образом, динамическая система (8.3), в первом приближении, будет состоять из двенадцати определений (компонент) «архитектурного произведения», согласно его структуре , [117].

Построение основного механизма сведения задачи (1) к подзадаче (2) выполняем по шагам:

Шаг 1. Выделяем один оператор , который обязательно будет участвовать в решающей цепочке операторов. Все операторы такого типа называются ключевыми, т.е. участвующими в решающей цепочке.

Шаг 2. Для каждого из ключевых операторов определяем промежуточные состояния, к которым они могут быть применены в условиях задачи (1).

Для оператора это будет состояние . Таких состояний может быть несколько, и тогда они образуют подмножество целевых состояний .

В результате выделим подзадачу поиска пути от начала до состояния (или до ,точнее от , т.е. приблизимся к возможному решению).

В результате применение оператора привело к подзадаче - 1 с описанием

в виде кортежа , или . Здесь - начальные состояния образа и состояние в области цели .

Шаг 3. Еслитакое описание найдено, то формулируем 2-юподзадачу, соответствующую 1-й (элементарной). При этом если состояние соответствует оператору , то можно применить его к и получить, в результате, новое состояние , приближающее решение к конечной цели, но только на один шаг.

Шаг 4. От вновь полученного состояния до конечной цели может быть еще несколько шагов, что представляет 3-ю подзадачу.

Таким образом, применение выбранного оператора к задаче с описанием позволяет выделить сразу 3 подзадачи:

, (8.4)

одна из которых элементарная.

Представим изложенное на линейном графике, (рис. 8.1).

Здесь все решение изображено отрезком, который разбивается точкой , соответствующей оператору , на подзадачи (п/з):

1-я п/з 2-я п/з 3-п/з

Рис. 8.1. Разбиение задачи на подзадачи.

Такому разбиению будет соответствовать следующий И/ИЛИ – граф, (рис. 8.2):

1-я п/з 2-я п/з 3-п/з

Рис. 8.2. И/ИЛИ – граф разбиения на подзадачи для состояния .

Элементарная подзадача типа 2 решается для любой выбранной точки пространства состояния, поэтому ее можно не указывать.

Точка - одна из возможных промежуточных целей:

. (8.5)

Выбрав ее, мы применяем к ней оператор .

Обобщая сказанное, приходим к окончательному виду И/ИЛИ – графа разбиения на подзадачи для одной точки (рис. 8.3):

Рис. 8.3. Обобщенный И/ИЛИ – граф для одной точки .

Вывод. Для разбиения задачи на подзадачи и построения соответствующего И/ИЛИ – графа нужны ключевые операторы (обычно более одного). Один из способов нахождения операторов, могущих быть ключевыми, состоит в вычислении различий между состояниями по пути от

(состояние на пути от начальной точки до целевой).

Каждому возможному различию ставится в соответствие оператор (или их множество), который это различие может устранить. Цепочка операторов, последовательно устраняющих различия между и будет решением задачи, [119].

Представим на рис. 8.4 интерпретацию структуры модели «архитектурное произведение» , (8.3):

Рис. 8.4. Интерпретация структуры модели

«архитектурное произведение» .

Выход системыможет быть описан вектором . Здесь: - вход, - выход, - внешняя среда, - внешний фактор (эстетика). Изменение состояния такой системы происходит во времени .

Далее изобразим вход системы в виде вектора , компонентыкоторого характеризуют внешние факторы, действующие на систему, включая и параметры внешней среды. Эти факторы могут быть не взаимосвязанными и представляются параметрами условий эксплуатации объекта или параметрами смежных систем. Внутренняя структура «архитектурного произведения» может быть описана вектором , компоненты которого характеризуют собственно параметры «архитектурного произведения» (конструкция, гармония, симметрия, стиль, целостность, надежность и т.д.), причем между некоторыми из этих параметров может и не существовать функциональная взаимосвязь. Эти параметры «архитектурного произведения», как системы, могут быть выходными параметрами её компонентов и параметрами процессов взаимодействия структуры модели, компоненты которой характеризуют параметры процесса воздействия системы на внешнюю среду (урбанистику), (рис.8.5).параметры внешней среды.

Рис.8.5. Система – «машина – человек — объект», .

Здесь: - параметры объекта; - параметры человека-оператора;

- параметры архитектурного произведения; - критерий оптимальности подсистемы «объект-человек»; - критерий оптимальности подсистемы «человек-объект»; - выходные параметры системы , (при втором приближении).

Именно эти параметры интересуют в первую очередь население (урбанистику) проектируемого ОБЪЕКТА. Выходные параметры архитектурного произведения образуются в результате взаимодействия внутренней и внешней среды и реакции экологической системы.

Поэтому при втором приближении, для полного описания состояния архитектурного произведения (как системы ), необходимо знать уравнения связей и отношений между параметрами внутри такой системы, так и между параметрами системы и параметрами внешней среды (выхода от входа). Уравнение связей системы будет иметь вид: (8.6)

Но таким путем описывается поведение объекта как статической системы, у которой векторы параметров описывают её состояние в фиксированный момент времени. Для случая представления «архитектурного произведения», как динамической системы, необходимо вход системы описать вектором параметров , саму систему – вектором параметров , а выход – вектором параметров , компоненты которых зависят от моментов времени , где - множество моментов времени.

Следовательно, в общее понятие урбанизации объекта «архитектурное произведение» мы включаем вспомогательное множество моментов времени . В каждый рассматриваемый момент времени система получает некоторое входное воздействие и, в ответ, порождает некоторую выходную величину .

Тогда уравнение связей такой динамической системы, будет иметь вид:

. (8.7)

Полученное уравнение связей выражает зависимость потенциального технико-экономического и экологического уровня архитектурного произведения от различных параметров, характеризующих как сам объект, так и внешнюю среду, включая и урбанистику объекта, (рис. 8.6), которые находятся между собой в некотором отношении связи .

Рис. 8.6. Человек и «архитектурное произведение» в системе

«машина-человек-объект» в среде проектирования.

Здесь: - параметры процесса проектирования; - параметры урбанистики; - параметры объекта; - параметры человека-оператора; - параметры архитектурного произведения; - параметры «агрегатов» (элементов) технологического комплекса (ансамбля); - критерий оптимальности технологического процесса создания архитектурного произведения, его оптимизации, математической модели, в соответствии с изменением эксплуатационного фона - урбанистики.

Решение уравнения связей архитектурного произведения как системы, т.е., конкретизация, моделирование зависимости технико-экономического уровня архитектурного произведения от различных параметров - конечная цель разработки прогноза проектирования и построения архитектурного произведения в эксплуатации и отработке до деградации (и разрушения), (рис.8.7).

Рис. 8.7. Концепция «интеллектуального моделирования» архитектурного произведения, с учетом его «времени жизни» в эксплуатации (в урбанистике).

Здесь под реновацией подразумевается обновление (реконструкция), SKAIS – «система контроля, анализа и слежения за изменением состояния объекта», представляющая программную интегрированную систему, с помощью которой можно решать рассматриваемую задачу, [9].

В этом и заключена идея концепции «интеллектуального моделирования» архитектурного произведения в его «времени жизни», [87, 120].

Основной смысл «интеллектуального моделирования» – ускоренные приближенные (мягкие) расчеты, ориентированные на синтезе законов теории систем и искусственного интеллекта при моделировании объектов, для которых показатели качества и точности управления (здесь это проектирование и строительство архитектурных объектов) поддерживаются в заданном интервале времени, (см. также [87, 121]).

Для решения этой задачи представим на рис. 8.8 расширенное системное уравнение математической модели состояния архитектурного произведения, в виде множества элементов динамической системы, составленное из пятнадцати определений архитектурного произведения, как сложной системы (согласно его структуре, (8.3), [9, 120- 126]:

. (8.8)

Рис. 8.8. Интерпретация структуры интеллектуальной модели – «архитектурное произведение» - , при втором приближении.

Здесь: - время, - архитектурное произведение, - конструктивность, - внешняя среда (урбанистика, природная среда), - эвристическое состояние (знания человека) объекта, - информация (композиция) об объекте, - признаки состояния объекта, - симметрия (пропорции) объекта, - множество решений о состоянии архитектурного произведения, - трансформация объекта, - значения операторов формирования состояния, - оператор обработки исходных данных () - наблюдений и обработки данных, - оператор преобразования данных () - первичного и вторичного преобразований, - функциональная связь в уравнении , - функциональная связь в уравнении , - моменты времени на входе и выходе из объекта.

В этой связи следует проанализировать два основных состояния архитектурного произведения - как объекта эксплуатации (применения) и как объекта оптимального проектирования, для урбанистики. Архитектурное произведение, в этих состояниях, должно рассматриваться в интерактивном режиме как часть системы более высокого порядка. Для достоверности и результативности такого анализа в диалоге человек-машина (интерактивный режим) необходимо поэтапно обособлять компоненты системы, все более сужая границу, выделяющую анализируемую часть системы.

Основной задачей анализа архитектурной системы является её нелинейная оптимизация, т.е. создание наилучшего (оптимального) состояния, в соответствии с целевой функцией и критерием оптимальности (и с учетом определенных ограничений): оптимизация эргономичности, экологичности, гармонии, композиции и надежности во времени «архитектурного произведения».

При этом можно выделить как минимум три задачи оптимизации архитектурной системы:

1) выбор оптимального варианта из возможных состояний системы при заданных ограничениях и цели;

2) выбор экономически наивыгоднейшего направления изменения (совершенствования) системы;

3) интеллектуальное (мягкое) проектирование с помощью программного комплекса SKAIS + REVIT ARCHITECTURE.

Первая задача решается для проектируемой системы, вторая – для реализуемой, третья — для урбанистики. При этом обязательно выполнение сравнения и анализа достигаемого состояния системы с критерием (или критериями) оптимальности её состояния, с учетом заданных ограничений. Этой цели служит установление обратной связи между выходными параметрами системы и критерием её оптимальности .

Для такого сложного и многофункционального объекта, как архитектурное произведение, может быть применено несколько критериев оптимальности и поэтому возможно образование не одного, а нескольких контуров обратной связи, так как оптимизация будет выполняться по векторному принципу и в условиях неопределенности, [122-126].

Принцип «интеллектуального (мягкого) моделирования процесса проектирования», внедряемый автором в технологические процессы и применяемые здесь методы теории искусственного интеллекта [116-119, 87, 120, 121, 123], позволяют проектировать объекты архитектуры системно, с учетом влияния «времени жизни» на изменение состояния. Таким образом, можно получить желаемые - «архитектурное произведение» и урбанистику.

На основе получаемых знаний истинного состояния критических элементов объекта, возможно, идентифицировать его и представить в темпе on-line как непрерывный процесс, протекающий параллельно проектированию и, следовательно, урбанистике. В результате, применяемая здесь параметрическая идентификация архитектурного объекта (или отдельных его элементов), позволит обеспечить максимальную адаптацию математической модели (объекта), ее адекватность объекту и урбанистике.

В дальнейшем совокупность получаемых математических моделей архитектурных произведений объектов позволит создать базу знаний (банк данных). Анализ данных может быть использован как в процессе проектирования различных архитектурных объектов, так и в процессе урбанизации [126, 128].

Контрольные вопросы и задания по самостоятельной работе к главе 8 и 9

8.1. Концепция эволюционных вычислений?

8.2. Основы теории генетических алгоритмов?

8.3. Самоорганизующиеся карты?

8.4. Вероятностные нейронные сети?

8.5. Программное обеспечение: Evolver?

8.6. Программное обеспечение: GTO (Genetik Training Option-Режим Генетического

обучения)?