ВведениеСитуационный центр – это организованный комплекс программных и технических средств контроля и мониторинга состояния объектов, а также вспомогательные средства для выработки оперативных управленческих решений. Ситуационные центры можно рассматривать как цифровую платформу мониторинга и единую точку управления инфраструктурой сложных организационных и технических систем.Физически ситуационный центр реализуется в специально оборудованном помещении, оснащённом техническими средствами сбора, обработки и представления информации. При этом информация об объекте управления, его компонентах и их состояниях поступает в различных формах представления (телеметрическая, аудиовизуальная, и др.) и по различным каналам передачи данных.Ситуационные центры нашли широкое применение в различных задачах и производственных сферах, например:на объектах энергетики;в центрах управления дорожным движением;в государственных структурах, министерствах и ведомствах [1];на автоматизированных производствах крупных промышленных предприятий.Весьма эффективным оказалось разворачивание ситуационных центров при проведении спасательных работ и устранению последствий аварий, природных и техногенных катастроф в системе МЧС России [2].Реализация ситуационных центров в строительной отрасли может рассматриваться в трёх направлениях:на этапе взаимодействия участников строительной отрасли, в целях системного сбора и анализа информации о проблемах, которые могут возникнуть у строительных предприятий;на этапе проектирования и в целях координации разработчиков строительных проектов;на этапе строительства, в целях контроля объектов и процессов на строительной площадке.Первое направление реализуется на уровне отраслевых сообществ и во взаимодействии с государственными органами власти. Так, под эгидой комплекса градостроительной политики и строительства города Москвы для поддержки строительной отрасли создан ситуационный центр НОСТРОЙ [3].Второе направление рассмотрено в статье Е. Каранта [4], в которой отмечается роль ситуационных центров как инструментов управления строительными проектами и драйверами внедрения технологий информационного моделирования при реализации коммерческих проектов, в том числе в жилищном строительстве.Крайне целесообразным представляется также рассматриваемое в данной работе третье направление, - создание ситуационных центров на объектах капитального строительства, непосредственно на строительных площадках при производстве строительно-монтажных работ.Объекты и методы исследованияЦелью настоящей работы является исследование организационных и технических задач создания и разворачивания ситуационных центров на строительных площадках, обеспечивающих мониторинг объектов и процессов производства строительных работ на предмет соответствия технологическим картам, проектной документации и требованиям безопасности.Реализация данной цели позволит автоматизировать организационно-управленческие процессы в ходе строительных работ, выявлять и предупреждать нарушения, отклонения от планов работ и проводить непрерывный контроль соблюдения требований по технике безопасности.В рамках данной цели ставятся задачи об:организационном обеспечении создания ситуационных центров на объектах строительства;функциональном составе программно-технических средств ситуационных центров;структурно-логическом представлении взаимодействия компонентов информационного обеспечения ситуационных центров.Обозначенная цель и состав задач являются актуальными в разрезе цифровизации строительной отрасли на всех этапах жизненного цикла объектов капитального строительства.Предметом исследований является комплексная информатизация и цифровизация организационно-управленческих задач на этапе возведения объектов капитального строительства с применением технологий анализа данных и искусственного интеллекта в составе информационного обеспечения ситуационных центров.Объектом исследований являются компоненты и программно-технические решения организуемых и разворачиваемых на строительных площадках ситуационных центров, которые позволят осуществлять управленческий мониторинг хода работ в режиме реального времени.Методы исследований включают:анализ сформировавшегося опыта создания и разворачивания высокоинформативных ситуационных центров в смежных общественных и производственных сферах;исследование комплекса функциональных задач информационного обеспечения ситуационных центров, исходя из деятельности по выполнению работ на строительных площадках;применение системного подхода к моделированию явлений и процессов при внедрении сквозных цифровых технологий в промышленности и реализации концепции «Индустрия 4.0» [5];алгоритмические модели реализации искусственного интеллекта применительно к задачам прогнозирования обстановки на строительных площадках.Результаты исследованийОсновными этапами возведения объекта капитального строительства являются:подготовка участка под строительство, создание временной инфраструктуры;земляные работы;фундаментные работы;возведение каркаса здания и несущих конструкций;обустройство крыши;прокладка коммуникаций;строительно-монтажные работы внутри здания;отделочные работы;обустройство территории.На каждом из перечисленных этапов определяются свойственные задачи мониторинга происходящих процессов, взаимодействия рабочего персонала и строительной техники, а также особенности по исполнению требований техники безопасности исходя из комплекса выполняемых работ и совокупности применяемой строительной техники и оборудования.В частности:при проведении работ на крыше и этажах здания при ещё не сформированных наружных стенах, необходимо строгое исполнение требований по технике безопасности исполнения высотных работ;при монтаже элементов строительных конструкций и транспортировке грузов на высоту, необходимо соблюдение техники безопасности при работе с подъёмно-транспортными устройствами (подъёмными кранами);при размещении технических средств и строительной технике на строительной площадке необходимо организовать пути перемещения оборудования и сотрудников из условий предупреждения возможности возникновения опасных ситуаций.Контроль исполнения требований по технике безопасности в подобных задачах может быть осуществлён с применением нейросетей, выявляющих взаимное расположение рабочих и элементов строительной техники, а также траекторий их движения.При этом нейросетевые алгоритмы сводятся к комплексному решению как минимум следующих задач:классификации, по выявлению и идентификации объектов на строительной площадке;классификации и кластеризации, по выявлению дефектов конструкций и нарушения технологии исполнения работ;прогнозированию, по выявлению тенденций взаимодействия классифицированных объектов с учётом их движения и вероятностному определению безопасности осуществляемой деятельности.Нейросетевые алгоритмы классификации изображений на предмет обнаружения дефектов на объектах капитального строительства довольно предметно изучены в работе [6].Таким образом, интеллектуальный ситуационный центр можно определить как ситуационный центр с интегрированными модулями искусственного интеллекта, на которые возлагается часть задач по идентификации объектов и процессов на строительной площадке с формированием прогностических предупреждений и автоматизированным созданием отчётов по исполнению нормативных показателей выполняемых работ. Ряд методов интеллектуальной обработки мониторинговых данных в процессе строительства предложен и рассмотрен в работе [7].В зависимости от этапа строительных работ, в ситуационном центре должны активизироваться соответствующие программно-алгоритмические модули. Однако разработка и проектирование ситуационного центра под конкретный строительный проект будет являться дорогостоящим мероприятием, в связи с чем необходимо создание трансформируемых, перемещаемых и быстро разворачиваемых ситуационных центров, которые как самостоятельный комплекс программно-технических средств могут использоваться многократно и перемещаться на новые строительные площадки.По данным издательского дома «Коммерсантъ» [8], в крупнейших городах России среднее время строительства новостроек составляет от 2 до 5 лет. Применительно к таким срокам, ситуационные центры можно рассматривать как полустационарные объекты, для которых необходимо и целесообразно:выделить или возвести на строительной площадке временное помещение с рабочими местами для сотрудников;разместить вычислительные мощности хранения и обработки данных;установить средства отображения информации и автоматизированного управления;проложить коммуникации сетей передачи данных;смонтировать измерительно-контрольную аппаратуру;разместить системы видеомониторинга и сбора аудиовизуальной информации с рабочих площадок, которая будет использована как один из основных и важнейших источников информации для нейросетевых алгоритмов.Сбор информации об объектах на строительной площадке с последующим их анализом может осуществляться с видеокамер системы видеонаблюдения. Или, в более развитом случае, следует говорить о том, что система видеонаблюдения является одним из функциональных компонентов ситуационного центра. Расположение видеокамер должно охватывать все необходимые части строительной площадки, на которых может иметься активность. Расположение видеокамер определяется на подготовительном этапе строительства и документируется (рис. 1). Одним из свойств многофункционального ситуационного центра является количество поддерживаемых видеокамер.Рис. 1. Проектная схема размещения видеокамер на строительной площадке:1 – строящийся объект, 2 – помещение ситуационного центра, 3, 4 – вспомогательные помещенияИзображения с видеокамер могут одновременно использоваться как для охранного видеонаблюдения, так и для ситуационного анализа в алгоритмах искусственного интеллекта. При этом все изображения с видеокамер должны быть преобразованы из системы координат области видимости (координаты X и Z на рис. 2) в пространственную систему координат строительной площадки и информационной модели здания (координаты X’, Y’ и Z’ на рис. 2).Рис. 2. Преобразование систем координат объектов на изображениях с видеокамерВся имеющаяся совокупность двумерных изображений C с n видеокамер в системе координат (Xi, Zi) будет преобразовано алгоритмом интеллектуального объединения в один трёхмерный пространственный объект M в системе координат (X’, Y’, Z’), совмещаемой с системой координат информационной модели строящегося объекта:$\bigcup^n_1C_i(X_i,Z_i)→M(X',Y',Z')$Структурная схема информационного обеспечения ситуационного центра представлена на рис. 3. Основными информации являются видеопотоки с камер видеонаблюдения и информационная модель строящегося объекта. В неё в процессе работы интеллектуальных модулей ситуационного центра могут вноситься автоматически формируемые записи о выполненных и идентифицированных объектах.Рис. 3. Структурная схема информационного обеспечения ситуационного центраПомимо этих источников, входными данными могут также являться (на схеме не показаны):сигналы с других информационных систем;показания датчиков режимов работы технологического оборудования и состояния инженерных конструкций [9, 10];базы данных с графиками работ и логистическими маршрутами.Алгоритм пространственного преобразования реализует рассмотренную ранее задачу координатного преобразования видеопотока в единый трёхмерный динамический пространственный объект.Интегратор объектов является модулем искусственного интеллекта, который осуществляет наложение реального представления строительной площадки на информационную модель. Предварительно из информационной модели извлекаются необходимые данные [11]. На выходе интегратора формируются метки соответствия элементов реального изображения с элементами и конструкциями строящегося здания.Классификатор объектов осуществляет выявление и классификацию объектов на строительной площадке: как элементов строительных конструкций, так и технологического оборудования, и персонала. Каждому выявляемому объекту присваивается класс из набора известных алгоритму классов. Классифицируемым объектам также присваиваются метки времени и пространственного положения. Теперь метки пространственного положения идентифицированных объектов могут быть сопоставлены с информационной моделью, что позволит определить взаимодействия.Таким образом, после интегратора и классификатора объектов формируется база записей о детектированных и идентифицированных объектах с их пространственным положением в каждый момент времени.Интеллектуальная система обеспечивает работу в режиме реального времени. При этом вся поступающая информация о детектированных объектах с их метками времени поступает на хранение в непрерывно пополняемую базу данных, ведение и управление которой осуществляет модуль ретроспективных данных. Для контроля объёмов памяти для каждого типа идентифицированных объектов устанавливается частота (периодичность) сохранения данных. Формирование ретроспективных данных уже рассматривалось в некоторых исследованиях [12] в контексте создания облачной автоматизированной системы истории выполнения строительных работ.Одну из решающих ролей в составе рассматриваемой модели информационного обеспечения выполняет модуль предсказаний. Он использует информацию как о текущих положениях объектов, так и об их прежних состояниях, которые извлекаются из базы ретроспективных данных.Модуль предсказаний осуществляет прогнозирование:направлений и конечных пунктов движения объектов;пересечения объектов;опасных ситуаций;появления объектов в контролируемых зонах;сроков выполнения этапов работ.Искусственный интеллект, как алгоритм, основанный на обучении, может эффективно решать только отдельные узкоспециализированные задачи. Поэтому модуль предсказаний фактически содержит в себе совокупность параллельно работающих алгоритмов, каждый из которых решает свою прогностическую задачу, и результаты работы каждого из алгоритмов в модуле предсказаний обобщаются.Модуль визуализации и аналитики предназначен для вычисления метрик рабочих процессов и отображения на мониторах как численных показателей, так и интерактивного графического модельного изображения объектов и их взаимодействий. Первая функция (вычисление аналитических показателей) может сразу передавать информацию в единый центр обработки данных и иные смежные аналитические системы, как внутрикорпоративные, так и общественные [13, 14]. Вторая названная функция (графическая интерактивная визуализация) требует дополнения программного комплекса алгоритмом построения элементных графических моделей. Интерактивные взаимодействия в строительном процессе на примере формирования строительных заявок уже исследованы в ряде научных работ [15, 16].Вычисление метрик, как обобщающих показателей деятельности, находит широкое применение во всех сферах управленческой и организационной работы [17]. Метрики рассматриваются как обобщающие показатели, зависящие от множества факторов. Совокупность значений метрик может быть положено в основу аналитических и управленческих выводов, направленных на совершенствование строительного процесса, а применение моделей искусственного интеллекта при анализе динамики изменения метрик может выявить новые закономерности между влияющими факторами, что в свою очередь является основой оптимизации при распределении ресурсов.Метрики, вычисляемые в процессе работы модуля визуализации и аналитики, могут быть поделены на три группы:производственные;экономические [18];метрики безопасности.Производственные метрики могут определять эффективность использования производственных ресурсов и оборудования, частоту его поломок и ремонтов, эффективность труда различных сотрудников, производительность оборудования.Экономические метрики могут определять соотношение затрат с полученными результатами при различных путях достижения одной и той же цели.Метрики безопасности могут определять производственные факторы, влияющие на возникновение опасных ситуаций, их частоту, связность, динамику изменения инцидентов техносферной безопасности на строительной площадке.Модуль визуализации и аналитики должен как отображать измеримые и вычислимые показатели в режиме реального времени, так и формировать сводные отчёты за заданные промежутки времени.Модуль предупреждений является дополнительным анализатором данных, получаемых с модуля визуализации и аналитики, и предназначен для выявления нетипичных, нештатных и опасных ситуаций с выводом соответствующих оповещений. Примерами таких ситуаций могут являться:нахождение лиц под стрелой подъёмного крана и под транспортируемым грузом;появление посторонних объектов и предметов;превышение скоростей движения техники и транспортировки конструкций;критические отклонения положений конструкций вследствие ветровой нагрузки, и др.Помимо структурного представления, ситуационный центр можно рассмотреть и с точки функционального состава. Совокупность компонентов и программных модулей, обеспечивающих отдельные функции, выполняющие получение, преобразование и передачу информации в необходимой форме, можно назвать подсистемами ситуационного центра. Основными подсистемами можно назвать:подсистема сбора входных потоков информации с множества источников;подсистема промежуточного преобразования информации;подсистема визуализации явлений и процессов;подсистема связи и взаимодействия участников строительного производства;подсистема аналитики;подсистема интеллектуального анализа данных;подсистема управления базами данных;подсистема мониторинга исполнения нормативных требований и техники безопасности;подсистема оповещений.Исходя из функциональных подсистем, минимальная конфигурация аппаратного обеспечения информационной системы ситуационного центра приведена на рис. 4. Взаимодействие подсистем осуществляется посредством главного сервера, который связан с сервером коммуникаций, являющийся центральным звеном, в котором реализуются подсистемы предварительной обработки информации. Информационные модели объектов строительства, которые могут быть доступны и из других информационных систем, размещаются на изолированном сервере информационных моделей. Таким образом, все дополнения в информационную модель, которые могут поступить из внешней среды, будут доступны информационной системе ситуационного центра. Аналогично, записи о ходе выполнения работ, особенности применённых материалов, акты выполнения работ, вносятся через информационную систему ситуационного центра. Взаимодействие информационного обеспечения ситуационного центра с информационными моделями является принципиально важным аспектом, поскольку не все объекты строительства могут быть визуально открытыми [19].В базе текущих данных обрабатывается та информация, которая представлена срезом в интервале интересующего (текущего) периода времени. В накопительном хранилище данных большого объёма собирается вся информация о предыдущих событиях на строительной площадке.Подсистема связи и коммуникаций представляет комплекс технических средств для машинного и немашинного взаимодействия: доступ к вычислительной сети, телефония, видеосвязь, систему обмена сообщениями.Рис. 4. Аппаратная часть информационной системы ситуационного центраРазворачивание ситуационного центра производится на этапе подготовки к строительству. При этом производится размещение оборудования ситуационного центра в организованном для этих целей помещении и прокладываются все необходимые коммуникации, в том числе слаботочные линии для подключения систем сбора данных со строительного оборудования и разворачивается внешняя сетевая инфраструктура для размещения IP-видеокамер.Ситуационный центр также может быть реализован в виде готового транспортируемого модуля размером от 6*3 метров, с размещённым оборудованием, и готовый к подключению к внешней среде.Таким образом, ситуационные центры на объектах капитального строительства позволят проводить мониторинг и аналитику процессов на строительной площадке в режиме реального времени, значительно снизить влияние человеческого фактора при решении задач комплексного обеспечения безопасности строительства, и осуществлять контроль соответствия выполняемых работ нормативной и проектной документации.ОбсуждениеВ настоящее время строительная сфера проходит стадию интенсивной цифровизации. Активно внедряется технология информационного моделирования на всех этапах жизненного цикла объектов капитального строительства. Однако сам процесс строительства, начиная от подготовки строительной площадки и до введения здания в эксплуатацию информатизирован пока ещё мало. В работе [20] предложена теоретическая и практическая основа формирования приёмки строительных работ на основе исполнительного информационного моделирования.Тем не менее, именно на строительной площадке осуществляются все процессы реализации проектов в натуральные объекты, в которых участвует большое количество персонала и строительной техники.Контроль, мониторинг и управление процессом строительства также может быть успешно информатизирован с применением сквозных цифровых технологий. Главной трудностью на данном этапе является большой спектр параллельных неоднородных управленческих и производственных задач, которые невозможно представить в виде конечной модели в некоторой автоматизированной системе.Решение данной проблемы может быть найдено в создании ситуационных центров, априори ориентированных на мониторинг и управление в ситуациях, характеризующихся высокой степенью неопределённости.Ситуационные центры на строительных площадках пока не имеют широкого распространения, однако тенденция создания ситуационных центров в строительной сфере уже имеет чёткие очертания, выражающиеся в создании таких проектов с государственным участием.Внедрение в практику ситуационных центров на строительных площадках позволит на более высококачественном уровне решать задачи по обеспечению соблюдения нормативных требований и проектной документации в процессе строительства, вести непрерывный мониторинг соблюдения техники безопасности, проводить аналитику экономической эффективности принимаемых решений по использованию человеческих и материально-технических ресурсов, осуществлять упреждающее прогнозирование развития событий на строительной площадке.Принципиальное отличие современных ситуационных центров для строительных объектов является реализация в их информационном и алгоритмическом обеспечении технологий искусственного интеллекта, в том числе основанных на нейронных сетях, которые пригодны для анализа в режиме реального времени информации об объектах и процессах на строительной площадке, а также их сопоставлением с информационной моделью возводимого строительного объекта.Ситуационный центр можно рассматривать как один из неотъемлемых компонентов строительного производства, наряду со строительной техникой и строительным оборудованием, а его разворачивание следует отнести к подготовительному этапу строительства.ВыводыПроведённое исследование показывает высокую перспективность организационно-технического обеспечения процессов капитального строительства применением ситуационных центров, разворачиваемых непосредственно на строительных площадках, и на которые могут быть возложены все основные контрольные и управленческие задачи.Ситуационный центр является комплексным решением, включающим в себя технические и программные средства, выполняющие необходимый набор функций контроля и управления строительным процессом в режиме реального времени.Программные решения, которые составляют информационную основу ситуационного центра строительной площадки основываются на развитии технологий искусственного интеллекта и обучающихся программных моделей в виде нейронных сетей. На текущий момент уже имеются разработки, которые реализуют задачи классификации, кластеризации и сегментации данных, способные обрабатывать статические и динамические изображения, выявлять дефекты строительных конструкций и нарушения техники безопасности при проведении строительных работ.Архитектура программно-технических средств ситуационного центра для строительной площадки предусматривает интеграцию алгоритмов искусственного интеллекта под комплекс задач контроля и мониторинга процессов на объектах строительства. Кроме того, обработка и аналитика данных в ситуационном центре предусматривает тесное взаимодействие с информационными моделями объектов строительства, что является связующим звеном для полноценной реализации многомерных информационных моделей.Учитывая сроки строительства современных зданий и объёмы строительного производства, применение ситуационных центров на всех этапах строительства представляется весьма целесообразным решением, позволяющих существенно повысить качественные показатели бизнес-процессов строительства на основе автоматизированного формирования и анализа метрик производственного и экономического характера.Сами ситуационные центры, являясь полустационарными объектами, при использовании модульной архитектуры, по окончании строительства могут быть перемещены для использования на новых объектах.