Evolutionary design assistants for architecture

Tasarım ofisleri için daha yüksek rekabet kapasitesi ve tasarımcılar için ise daha kolay ve keyifli iş akışlarının geliştirilmesi yolunda ikili bir araştırma gündemini takip ederken, Yapay Tasarım Zekâsı araştırmacıları hem teknik, hem entelektüel, hem de politik meydan okumalar karşısında kalırlar. Her ne kadar insan - makine işbirliği Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) araç ve süreçleri üzerinden hatırı sayılır bir yaygınlık kazanmışsa da, mevcut olanın daha ötesinde bir işbirliği ve daha iyi tasarım desteği ancak insanların dünya kavrayışlarına karşı daha hassas ve kavrayışlı olabilen bir tür Yapay Zekânın geliştirilmeye başlanmasıyla mümkün olabilecektir. Hesaplamalı Tasarım (Computational Design) araştırmalarının bir parçası olarak düşünülebilecek bu araştırma alanı Yapay / Otonom / Otomatik Tasarım olarak adlandırılabilir. Tasarım için kullanılabilen Yapay Zekâ düzeyi hâlihazırda sınırlı olduğu için, güncel Yapay Tasarım çalışmaları için makul bir hedef, çeşitli tasarım görevleri için taslak tasarımlar üretmek olabilir. Dolayısıyla, bu tez çalışmasının genel ölçekteki hedefi, tasarım süreçlerindeki alt görevler için taslak tasarımlar üretebilecek yapay tasarım asistanlarına yönelik yaklaşımlar, yöntemler ve araçlar geliştirmek olmuştur. Bu amaçla keşfedilmeye çalışılan teknoloji Evrimsel Hesaplamalar, hedef alınan tasarım disiplini ise mimarlık olarak belirlenmiştir. Çalışmanın birbiriyle bağlantılı iki araştırma sorusunun ilki, bir yapay mimari tasarım asistanının nasıl geliştirileceğinin soruşturulmasını, ikincisi ise bu tür asistanların üretiminde Evrimsel Hesaplamaların nasıl kullanılabileceğinin araştırılmasını konu almıştır. Çalışma, böylesi bir asistan için yaklaşım, yöntem ve hesaplamalı araçlar geliştirirken, aynı zamanda geniş bir kuramsal inceleme gerçekleştirmeyi de hedeflemiştir. Bu kuramsal inceleme, konuyla ilgili temel problemler, güçlükler ve gerekliliklerin daha genel bir düzeyde anlaşılmasını sağlamaya yöneliktir. Araştırma üç paralel araştırma hattının iç içe geçtiği çeşitli düzeylere yayılmıştır. Bu üç araştırma hattının birincisi, hem mevcut kuramsal yazına dönük hem de çalışmanın öneri ve uygulamalarına dönük kuramsal inceleme, tartışma ve kurgusal öneriler üzerinden takip edilmiştir. İkinci araştırma hattı hem betimleyici, hem yöntem öneren modeller, haritalamalar, özet görselleştirmeler, görev yapıları, görev ayrıştırma şemaları ve bütünleştirici çerçeveler üretmeye yönelmiştir. Üçüncü araştırma hattı ise tüm bu önerilerin deneysel uygulamalarını kapsar. Genel bir kuramsal düzeyden tekil uygulamalar düzeyine kadar yayılan bu üç hat araştırma süreci boyunca eşzamanlı olarak, bir arada işlenmiş ve geliştirilmiştir. Bu üç yönlü ilerleyiş her önerinin hem kavramsal açıdan hem de pratikte değerlendirilmesini, dolayısıyla araştırma sorularına yönelik kavrayışın aşamalı olarak gelişmesini sağlamış, aynı zamanda da süreç boyunca somut çıktılar ortaya koymuştur. Başka deyişle, kuramsal ve yorumsal incelemelerin yanısıra, çalışma, ele aldığı konuyu bir seri, uygulamaya dönük veya kurgusal öneri yoluyla da araştırmıştır. Bu öneriler tez çalışmasının hem araştırma araçları, hem de çıktılarıdır. Çalışmanın ilk ana çıktısı "tasarım_vekili" (design_proxy, d_p) adı verilen ve tasarım taslakları üreten asistanlar geliştirmeye yönelen bütüncül bir yaklaşımdır. Yaklaşım hem kuramsal incelemelerin hem de deneysel uygulamaların bir sonucu olarak ortaya çıkmıştır. tasarım_vekili yaklaşımı, (1) esnek ve gevşetilmiş görev tarif ve temsillerinin (katı formelleştirmeler yerine), (2) alışılageldik tasarım araç ve ortamlarının kullanıldığı sezgisel ve doğrudan arayüzlerin, (3) çözüm önerilerinin verili örneklere benzerlikleri üzerinden otomatik değerlendirilmesinin ve (4) ürün geliştirmek için dinamik bir evrimsel yaklaşımın bütünleşik olarak kullanılmasını önerir. Yaklaşımın işlerliği tezde yer alan iki uygulama üzerinden araştırılmış ve gösterilmiştir. tasarım_vekili yaklaşımı Yapay Tasarım araştırmacılarının yorum ve kullanımlarına sunulmuştur. Tezin ikinci ana çıktısı, "İçiçe Evrimsel Algoritma" (Interleaved Evolutionary Algorithm, Interleaved EA, IEA) adı verilen yeni bir evrimsel algoritma türüdür. Bu algoritma tasarım_vekili yaklaşımına dayanan tasarım asistanlarının üretken mekanizması olarak kullanılmak üzere geliştirilmiştir. İçiçe Evrimsel Algoritmanın işleyişinde sürecin alt hedeflerinden biri zindelik gelişmesi duraklayana kadar tüm süreci yönlendirir. Burada yönlendirmekten kastedilen, evrimsel kararlarda genel olarak sürece ait değil de lider hedefe has zindelik değerlendirmelerinin ve varyasyon ayar ve operatörlerinin tüm süreci yönlendirmekte kullanılabilmesidir. Lider hedef kurgusuna sahip olmayan evrimsel algoritmalarda ise sürece ait ayarlar ve değerlendirmeler ortak olarak kullanılmaktadır. Bu haliyle IEA genel bir süreçteki her bir farklı alt hedef için ayrı ayarlar ve operatörler kullanılmasını mümkün kılmaktadır ve dinamik ve uyarlanabilir bir çoklu-hedefli evrimsel algoritma olarak işlev görürken aynı zamanda tekil hedefli evrim süreçlerine ait bazı yöntemlerin kullanılabilmesini de mümkün kılmaktadır. Bu özellikleri IEA'nın modüler bir yapıya sahip olmasını sağlar ve uygulama alanına has bilginin her bir alt görev (hedef) temelinde sürece katılmasını sağlama potansiyelini açığa çıkarır. IEA Evrimsel Hesaplamalar araştırmacıları ve Evrimsel Hesaplamalardan yararlanan uygulamacılar tarafından kullanılabilir. Tezin üçüncü ana çıktısı, "Mimari Kök Hücreler Çerçevesi" (Architectural Stem Cells Framework), mimari tasarım asistanlarına yönelik kavramsal bir çerçevedir. Bu çerçeve bir seri tasarım asistanının daha üst bir mimari tasarım görevi için bir arada işleyebilmesi yolunda çoklu-katmanlı ve dinamik bir yöntem önerir. Çerçevenin ilk bileşeni, katman-tabanlı bir paralel görev-ayrıştırma yaklaşımıdır –ki daha karmaşık bir problemin içindeki alt-görevlerin dinamik bir paralelizasyonunu hedefler. Çerçevenin ikinci bileşeni bina taslakları geliştirmeye yönelik mekanizmalara dair bir kavramlaştırmadır. Bu kavramlaştırmaya "Mimari Kök Hücreler" adı verilmiştir. Bir Mimari Kök Hücre semantik olarak işaretlenmiş bir geometrik yapı olarak anlaşılabilir. Bu yapı soyut bir binanın, kısmen tanımlanmış bir problem bağlamında, detaysız bir durumdan tümüyle gelişmiş bir bina taslağına doğru nasıl gelişebileceğine yönelik olasılık ve sınırlamaların bilgisini barındırır. Mimari Kök Hücre kurgusu çözüm-tabanlı bir üretim sürecinde birbirinden ayrıştırılacak olan alt görev katmanlarının nasıl yeniden bütünleştirileceğine yönelik bir yanıt olarak gerekli görülmüştür. Dolayısıyla, çerçevenin ilk bileşeni dinamik görev-ayrıştırma, ikinci bileşeni ise esnek bir yeniden-bütünleştirme yapısını konu edinmiş, çerçeve bu iki bileşenin nasıl bir arada işleyeceğine yönelik kurgusal bir öneri sunmayı hedeflemiştir. Bu haliyle, Mimari Kök Hücreler Çerçevesi tezin ortaya attığı pek çok fikir ve öneriyi pratiğe yönelik geniş bir araştırma gündemi içinde bir araya getirmeyi hedeflemiştir ve mimarlık alanındaki Yapay Tasarım araştırmacılarına sunulmuştur. Tezin sonuncu çıktısı, "tasarım_vekili.plan_şeması" (design_proxy.layout, d_p.layout) adı verilen mimari plan şeması tasarım asistanıdır. Bu asistan, tasarım_vekili yaklaşımına dayanmaktadır ve önerilerini geliştirmek için İçiçe Evrimsel Algoritma'yı kullanır. tasarım_vekili yaklaşımının bir sonucu ve uygulaması olarak, sistem, gevşetilmiş bir problem tarifi (taslak plan şemaları üretmek) ve plan birimlerinin üst üste çakışmasına ve plan sınırlarından taşmasına izin veren esnek bir plan şeması temsili kullanmaktadır. Kullanıcı etkileşimi alışılageldik grafik tasarım araçları ve çıktıları üzerinden sağlanmakta, otomatik işlevsel değerlendirmelerde ise mevcut planlar ile öneri planlar arasındaki karşılaştırmalardan elde edilen zindelik değerleri kullanılmaktadır. Belirli bir alt-hedef açısından hedef alınan bir binaya daha çok benzeyen önerinin zindeliği daha yüksektir. Bu temel özellikler bütünleşik bir yolda işleyerek sistemi pratikte kullanılabilir ve keyifli bir tasarım asistanı haline getirmiştir. Bu iddialar tezde iki öğrenci atölyesi üzerinden desteklenmektedir. tasarım_vekili.plan_şeması asistanı çok yönlü, süreçteki hata ve eksiklikleri tolere edebilen son derece esnek bir plan taslağı asistanıdır ve mimarlar ve mimarlık öğrencileri tarafından tasarım süreçlerinin özellikle erken aşamalarında kullanılabilir.