Нейросети служат зодчим

Моделирование конструкций, ранее занимавшее десятки часов, теперь происходит за доли секунды.

О роли информационных технологий в работе современных архитекторов "Российской газете" рассказал Юрий Згода, аспирант кафедры информационных систем и технологий Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.

Юрий Николаевич, как изменили работу проектировщика современные информационные технологии?

Юрий Згода: В прошлом основным инструментом проектировщика был кульман, а чертежи рисовали вручную. Очевидными недостатками такого подхода являются обилие ручного труда, значительные временны́е затраты на формирование документации по проектируемому зданию или сооружению и неэффективный по современным меркам процесс обмена информацией между специалистами разных разделов (например, между архитектором и специалистом по инженерным сетям).

Современные технологии информационного моделирования зданий (ТИМ) позволяют специалистам строительной отрасли работать с цифровой моделью здания не как с набором чертежей, а как с полноценной базой данных. Если в качестве основной абстракции в работе выступает линия, то компьютер представляет собой лишь "цифровой кульман" и не привносит каких-либо кардинальных изменений в рабочий процесс. Однако если информационная модель здания состоит из таких сущностей, как стены, перекрытия, двери, окна и т. д., то преимущества компьютерного моделирования становятся очевидными. Например, если "передвинуть" стену на плане одного этажа в программном обеспечении ТИМ-моделирования, то эта стена автоматически переместится и на всех разрезах, планах фасадов и 3D-визуализациях, ведь они представляют собой лишь способы изображения этой базы данных. Раньше внесение подобных незначительных изменений потребовало бы трудоемкой перерисовки документации по проекту. Сейчас ТИМ позволяет значительно сократить количество порой тривиальных, но в то же время тяжелых для исправления ошибок за счет минимизации подобных рутинных операций. Лучше не иметь возможности допустить ошибку, чем обнаружить ее в середине работы над проектом.

Кроме того, использование ТИМ в архитектурно-строительной деятельности существенно упрощает взаимодействие специалистов разных разделов проекта. Для передачи сведений от специалиста одного раздела к специалисту другого раздела (например, от архитектора к инженеру систем отопления) достаточно лишь отправить файл. Возможна организация работы, при которой информационная модель размещена на локальном сервере или в "облаке", а для передачи изменений достаточно одного клика мыши для синхронизации всех изменений. Создание документации, объединяющей элементы из разных разделов проекта, выполняется в автоматизированном режиме и не требует ручной отрисовки сложных многоцветных чертежей.

В чем состоят особенности моделирования оболочечных конструкций, которым вы занимаетесь?

Юрий Згода: Тонкостенные оболочечные конструкции - это криволинейные конструкции, у которых толщина значительно меньше двух других размеров. Их применение в архитектуре и строительстве варьируется от величественных куполов храмов до изящных крыш современных зданий. Помимо эстетической составляющей, криволинейность оболочки обеспечивает ей повышенную устойчивость к внешним нагрузкам. Однако моделирование подобных конструкций представляет собой весьма сложную задачу, которую крайне сложно решить без использования ЭВМ.

Мои исследования направлены на то, чтобы повысить производительность компьютерного моделирования оболочечных конструкций, которое без использования специальных методов моделирования может требовать нескольких часов или даже суток непрерывных вычислений. С экономической точки зрения, неоптимизированные методы расчета означают не только увеличение сроков проектирования, но и повышенные затраты на электроэнергию, потребляемую компьютерами в ходе моделирования. Мной был разработан ряд программ, оригинальных алгоритмов и модифицированных численных методов, позволяющих сократить длительность вычислений примерно в 1350 раз (с 21 часа до 56 секунд) без потерь в точности моделирования.

Применяются ли при моделировании возможности искусственного интеллекта?

Юрий Згода: Одно из направлений моих научных исследований заключается в использовании нейронных сетей и глубокого обучения, которые относятся к методам искусственного интеллекта. Искусственная нейронная сеть - это модель, которая позволяет автоматически определять взаимосвязи между входными и выходными данными при "демонстрации" нейросети большого количества примеров задач и их решений. Нейросеть может в процессе обучения находить неочевидные человеку взаимосвязи в анализируемых данных и представлять эти взаимосвязи через последовательность тривиальных математических операций. Нет необходимости ни в численном решении систем уравнений, ни в символьных деревьях выражений, ни в каких-либо других сложных программных абстракциях. Именно это позволило нейросетям кардинально изменить современную ИТ-отрасль и разработать такие привычные сейчас инструменты, как высокоточные средства распознавания речи или инструменты поиска по фотографиям.

В моем исследовании нейросеть была обучена на результатах расчетов нескольких тысяч конфигураций оболочечных конструкций, находящихся под воздействием нагрузок различной интенсивности. В общей сложности обучающий набор данных составил примерно 146,9 миллиона комбинаций входных и выходных данных. После обучения на этом наборе нейросеть была в состоянии с высокой точностью (порядка одной десятой толщины конструкции) выполнять расчет напряженно-деформированного состояния оболочки примерно за 0,01 секунды, то есть на несколько порядков быстрее ранее описанного оптимизированного программного обеспечения. Это позволяет выполнять моделирование практически в режиме реального времени, когда задержка между описанием моделируемой задачи и получением результатов незаметна.

Современные информационные технологии активно применяются в самых разнообразных отраслях, в том числе в архитектуре и строительстве. Однако это не означает, что компьютеры лишат архитекторов и строителей работы. Появление калькулятора не привело к исчезновению математиков. Наоборот, компьютеры привнесли в эту область множество новых интересных направлений, позволили решать ранее недоступные задачи, взяли на себя рутинные вычисления и позволили ученым сконцентрироваться на научных проблемах. В архитектурно-строительной отрасли происходит похожий процесс, когда автоматизация и современные технологии все больше сокращают время, необходимое для переноса творческой идеи в строгую проектную документацию. А это значит, что у специалистов появляется возможность для реализации значительно более масштабных и амбициозных проектов.

Реклама

СПбГАСУ