Инновационная смена основных постиндустриальных производственных технологий

А.С. Степанова,

магистр техн. и техн.., ser23n2005@yandex.ru

ТГТУ, г. Тамбов

Сформулирована проблема смены опережающих постиндустриальных технологий. На основе альтернативных технологий развитых стран предложено измененное управление жизненным циклом этих технологий. Про-ведено сравнение доступных технологий для формулирования инновационной задачи. Приведена формализация решения задач и пример смены технологий для сложной системы шестого технологического уклада. Доклад RAND Corporation «Технологическое развитие 2025»,от мая 2013 года, подтвердил выдвинутую гипотезу.

The problem of change of advancing post-industrial technologies is formulated. On the basis of alternative technologies of the developed countries the changed management of life cycle of these technologies is offered. Comparison of available technologies for a formulation of an innovative task is carried out. Formalization of the solution of tasks and example of change of technologies for difficult system of the sixth technological way is given. RAND Corporation "Technological Development 2025" report, of May, 2013, confirmed the made hypothesis.

Введение

Актуальность. Для перехода к современным опережающим постиндустриальным технологиям, актуальным является изменение управления жизненным циклом технологий. В настоящее время наиболее перспективным для России научным направлением развития считается интеграция разрабатываемых технологий в NBIC

(N -нано; B -био; I -инфо; C –когно) технологии шестого технологического уклада (ТУ). При опережающих техно-логиях необходим переход к информационно-коммуникационным и последовавшими за ними био- и нано-техно-логиям, вызвавших развитие когнитивных технологий – способов включения человека в гибридные (человеко-машинные) системы и среды. Это привело к NBIC-конвергенции технологий. Создание их ожидается не ранее 2018 года, а окончание - не позднее 2040 года. По Указу Президента РФ № 899 от 7 июля 2011 г., выделены 27 критических технологий РФ и 8 приоритетных направлений развития науки, технологий и техники [1].

Альтернативные методы смены технологий в мире. В условиях смены основных технологий в мире предложены различные концепции развития, отличные от отечественных. Проведено сравнение развития наших систем и систем управления с мировыми тенденциями. Наиболее адекватным инструментом является использование, во всех развитых странах, научно-технологического Форсайт (Foresight) исследования [2]. В США используют также технологии top-technology, предложенные RAND Corporation. В начале 2013 года MTI, RAND, Токийский университет и Европейский Центр оценки технологий выпустили доклад «Технологическое развитие 2025» [3]. Они предложили заменить наименование NBIС на NIBEP (neyrosaens, information technology, bio-technology, energy revolution, production). Новая производственная революция базируется на робототехнике, 3D печати и композиционных материалах. В докладе сделан вывод, что существуют 24 критические технологии. Графически смену технологий можно представить в виде рис.1. Глобальный институт McKinsey (MGI), подразделение транснациональной McKinsey & Company, изучив более ста технологий, в мае 2013 г. выбрал 12 «big thing» прорывных технологий, которые до 2025 года, более всего повлияют на мировую экономику и образ жизни людей во всем мире. Используют также Технологические платформы (ТП) России, Евросоюза (ЕС) и США.

Проблема. В связи с мировой тенденцией уменьшения времени жизненного цикла техники необхо-димо рассматривать и в первую очередь разрабатывать инноваци-онные технологии обеспечиваю-щие больший запас времени для производства систем и изделий, в том числе и для вновь разрабаты-ваемой продукции и услуг. Для этого, при разработке, предлага-ется рассматривать не только ди-рективные и методические мате-риалы и документы по новым технологиям России, но и альтер-нативные постиндустриальные технологии развитых стран.

При разработке и коммерциали-зации следует учитывать реко-мендации М. Д. Дворцина по тех-нодинамике, для использования инновационных технологий [4,5].

рис. 1. Бифуркационный характер эволюции смены технологий (X, Z –параметры системы, T – время, А, В и C– точки бифуркации)

В RAND Corporation считают, что те, кто овладеет всеми технологиями NIBEP, смогут осуществить новую технологическую революцию, запустить новую экономику. Согласно докладу [3] у американцев есть готовые 21 технология, у японцев – 17, у ЕС – 14, у Израиля – 9, у Южной Кореи – 8, у Китая – 7. И пока четыре - у России [6].

Открытая нелинейная самоорганизующаяся система всегда подвержена колебаниям для выбора неустойчи-вой точки выбора дальнейшего пути развития системы в точках бифуркации. От стратегии, от выбора решения, зависит, по какому пути – короткому или длинному, система будет выходить из состояния неустойчивости, рис.1.

Система будет характеризоваться качественно новыми параметрами системы и новым режимом ее функционирования. Выбор перспективных направлений развития системы определяется свойствами самой системы, изменяемыми и качественно развиваемыми от одного технологического уклада к другому [5].

Альтернативными технологиями можно считать также различные конвергентные технологии и сценарии разработки, используемые сейчас при разработке и развитии различных систем [7].

В табл. 1 представлены обобщенные лучшие мировые практики смены основных технологий в мире.

Таблица 1

Лучшие мировые практики смены основных технологий в мире

Приоритеты развития	Основные критические технологии будущего
	УКАЗ Президента РФ, № 899	RAND Corporation, США, до 2020 г.	McKinsey institute, США, до 2025 г.	NBIC, до 2040 г.	NIBEP, до 2025 г.
Технологические направления (кластеры)	8	—	3	4	—
Технологии (критические)	27	16	12	—	24

Следует отметить, что инновационные технологии XXI века в США классифицируются и создаются по другому, дополняя приоритетные направления и критические технологии России по Указу Президента [1,3,6].

Целью работы является разработка технологии управления жизненным циклом новых опережающих техно-логий для России первой четверти XXIвека, на основе бифуркационного характера смены основных технологий с использованием разнообразных концепций развитых стран.

Решения, принимаемые на 5 лет, могут оказаться ошибочными при планировании на 15- 25 лет. При формулировании цели, задач и оценки результатов нужно знать, к чему это приведет в будущем – до 2025 -2040 годов.

Задача работы – поиск не статического перехода к опережающим постиндустриальным технологиям.

Следует учитывать, что все существующие технологии не подходят для замены традиционных структур в требуемых масштабах, из-за своей низкой энергоэффективности [1,4]. Следовательно, нужна высокая активность в сфере исследований и разработок, а также проведении НИОКР в 2015-2020 годах, при бифуркационном характере смены основных технологий, рис.1 [3,4,6].

Формализация. Воспользуемся дифференциальными уравнениями, описанными и успешно применяемыми для построения моделей развития сложных систем [8]. Настоящая работа посвящена формулировке и исследованию динамической модели смены технологий, в рамках которой ставится задача перехода к опережающим постиндустриальным технологиям [7,8] определения в какие моменты времени следует начинать разработку и (или) внедрение новой технологии или системы (изделия), включая принятие решений о целесообразности ее внедрения (коммерциализации) с учетом технодинамики [4]. Как показано в ИПУ РАН, предлагаемая модель применима для любой системы, принимающей решение относительно инновационного развития [8].

Решение. Рассматривается динамика развития n ≥ 1 технологий (последовательно сменяющих друг друга технологических укладов) [4-6] или отдельных инноваций — содержательный их смысл в рамках рассматриваемой модели одинаков на плановый длительный горизонт 0, который фиксирован и известен. Динамика развития i-й технологии (ее жизненный цикл) описывается следующим дифференциальным уравнением:

(1)

где — функция-индикатор, — управление (инвестиции), — известные пре-дельные уровни развития технологий (технологические уклады — разность между соседними технологическими укладами характеризует технологический скачок), — упорядоченному множеству техно-логий, — конечная последовательность моментов — перехода от одной технологии к следующей в точке бифуркации. Зададим начальные и конечные условия:

,

(2)

Моменты времени соответствуют переходу на новую технологию, известные величины — по-терям, связанным с переходом, управление — динамике изменения ресурсов, вложенных в развитие технологий, . Динамика i-й технологии описывается обобщенным логистическим уравнением (1) со скоростью роста, описываемой известной функцией , зависящей от уже достигнутого на предыдущем этапе уровня развития (стартового для данного этапа уровня — (2)) и количества ресурсов .

Траектория , характеризует уровень развития технологий в своем технологическом укладе. Определим достигнутый к концу планового горизонта T уровень развития технологий как

.

Оптимизационная задача смены основных технологий нового технологического уклада. Пусть заданы:

- функции дохода , отражающая доход, получаемый в конце расчетного периода (зависящий от достигнутого уровня Х (Т) развития технологий уклада и времени событий);

- функционал дохода ,отражающий совокупный доход, получаемый в процессе развития технологий, где — текущий доход, определяемый уровнем развития технологии ;

- функция затрат ,

где — это коэффициенты дисконтирования, отражающие темпы морального износа научно-технической информации, овеществленной в данном технологическом решении, технологическом укладе, — вектор динамики ресурсов, отражающий инвестиционную политику, где — вектор моментов времен смены технологий, отражающий инновационную политику.

В функционале затрат множитель вида означает, что в промежутках между моментами технологических сдвигов действует так называемый закон убывающей производительности капитала (закон тенденции средней нормы прибыли к понижению), и моральный износ научно-технической информации в это время носит монотонно убывающий характер. Наложим ограничения:

, (3)

где константы могут интерпретироваться как инвестиции в приобретение и (или) начало внедрения соответствующих технологий нового или перспективного ТУ.

Критерий эффективности можно записать в виде разности между доходом и затратами, тогда оптимизационная задача смены основных технологий примет вид: максимизировать критерий эффективности выбором последовательности смены технологий и вектора динамики ресурсов, т. е.:

, (4)

при условии, что динамика технологий описывается системой уравнений (1) с начальными условиями (2), а ресурсы удовлетворяют ограничениям (3).

Альтернативой критерию (4) может быть использование коэффициента эффективности инвестиций:

Сделаем следующие предположения: функции не убывают по всем переменным, функция также неубывающая. Содержательная интерпретация этих предположе-ний очевидна — доход от наличия уже достигнутого технического уровня может накапливаться.

Отметим, что частным случаем решения задачи (4) может быть реализация любого подмножества множества технологий N что возможно при совпадении соответствующих времен переключений.

Каждое из уравнений, входящих в систему (1), может быть решено независимо:

,

, (5)

где ,

.

Если при , то из решений (5) получим набор логистических кривых (связанных соотношением (2)):

,

. (6)

Задача (4) является «аддитивной», так как критерий эффективности в ней представляет собой разность функционала от терминального значения траектории и функционала, зависящего от всей траектории, причем моменты переключений априори упорядочены. Следовательно, данная задача может быть отнесена к классу задач оптимального управления с фазовыми координатами, разрывными во внутренних точках [8]. Для ее решения, в случае известных моментов переключений, могут быть применены известные методы [8]. В общем случае следует сначала искать оптимальные управления при фиксированных моментах переключений, а затем — применять метод динамического программирования для поиска моментов переключения при условии, что оптимальные инвестиции между моментами переключений ищутся из решений соответствующих задач оптимального управления.

Решение задачи (4) может быть получено численно [8]. В предложенной модели фигурирует достаточно много параметров, поэтому, опуская часть из них, можно получать более простые модели, вводя для которых содержательно интерпретируемые предположения, можно получать аналитические решения (6).

Как показано в предложенной модели [8] фигурируют следующие параметры (разбиение параметров на группы достаточно условно, так как в зависимости от моделируемой ситуации один и тот же параметр может быть отнесен к различным группам).

• Характеристики технологий: , где — одномоментные выигрыши (или потери) в

уровне развития технологий, связанные с ее внедрением, — инвестиции в новую технологию, — максимальный уровень ее развития (технологический предел), — зависимость скорости развития от инвестиций и характеристик экономического агента (корпорации, предприятия), внедряющего новые технологии, .

• Характеристики объекта: — начальный уровень развития технологий, — горизонт планирования.

• Характеристика внешней среды: — коэффициенты дисконтирования.

Задача (4) заключается в совместном выборе инновационной политики (в какие моменты времени начинать внедрение той или иной новой технологии, включая принятие решений о целесообразности ее внедрения вообще) и инвестиционной политики — каков график перехода к новым технологиям [8].

Пример. Только исчерпав возможности старой системы защиты человека, следует существенно менять систему, переходя к внешним закономерностям развития технологий, складывающихся в результате взаимодействия с другими системами. Нами использован частный случай из рассматриваемой модели (1) на длительный горизонт планирования жизненного цикла производственной технологии нового ТУ в 2025-2040 годы, табл. 1. Все существующие технологии не подходят для замены традиционных структур в требуемых масштабах [1,4].

Принято, что выбранная система должна соответствовать не только приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в РФ, перечню критических технологий РФ, но и нескольким технологиям из 16 предложенных RAND Corporation США. При разработке одной информационно - управляющей системы средства изолирующей защиты органов дыхания (СИЗОД) нами использованы дополнительно 4 технологии США, табл. 2.

Таблица 2

Ведущие технологические направления (кластеры) США, использованные в системе

Технологии	Необходимый уровень развития
1. Радиочастотная идентификация продуктов и индивидуумов	Средний
2. Средства доступа к информации «всегда и везде»	Очень высокий
3. Универсальные сенсоры для обеспечения безопасности
4. Носимые компьютеры (в виде одежды, украшений и т.п.)

Особое внимание было уделено оценке эффективности конечного сценария развития технологии СИЗОД Fuzzy ведущих корпораций мира. Это характеризует верхний вид полученной S- образной кривой, рис. 2.

рис. 2. Функциональные критерии эффективности ИК технологий СИЗОД

Из рис. 2. видно, что по выбранному критерию качества, СИЗОД представляет собой логистическую S-образную кривую, а технические характеристики завершают свой очередной жизненный цикл.

Верхний график показывает улучшения при разработке системы управления СИЗОД. В качестве критерия энергоэффективного управления нами применено ситуационное управление «ситуация – действие», а для описания ситуации в пути использовались нечеткие множества.

Для обеспечения результативности и повышения критерия эффективности новых технологий необходимо также обеспечение технологической состоятельности по М. Д. Дворцину, новых связанных технологий, без которых не возможно любое современное производство [4,6,9].

Для сложных систем СИЗОД Fuzzy используются, как внутренние, так и внешние связи. Наилучшим способом сокращения неупорядочности является управление. Неупорядоченность будем определять, как меру отклонения его состояния от идеального, заданного программно в БИУС и обеспечивающего предельно точное достижение цели с учетом дополнительного прибавления к времени активной защиты нового времени пассивной защиты.

Управление, в нашем случае, связано с переработкой и использованием информации, внешней и внутренней.

На рис. 2 для сравнения, выбраны три лучшие, по наибольшему годовому объему продаж, ведущие зарубежные фирмы, выпускающие СИЗОД: Dräger Safety AG&Co. KGaA, Германия, Mine Safety Appliances Co., (MSA)

США, Sperian Protection (Honeywell), Франция, ОАО «Корпорация «Росхимзащита», Россия.

Фактическое время защитного времени (ВЗД) аппарата СПИ-20 и СПИ-20 Fuzzy в зависимости от температуры окружающей среды и степени тяжести выполняемой работы должно соответствовать табл. 3.

Таблица 3

Сравнительные технические характеристики СПИ-20 и СПИ-20 Fuzzy (цифровое управление)

Технические характеристики	Тип самоспасателя
	СПИ-20	СПИ-20 Fuzzy
Время защитного действия, мин. · при эвакуации, активная защита, · дополнительное время в 1-м режиме дыхания	20-40 —	20-40 не менее 80 мин.
мощность, Вт	от 400	снижение до 80
пассивная защита	—	Введена впервые
пассивное ожидание помощи с датчиком, мин.	—	не менее 30
с БИУС СИЗОД, мин.	—	не менее 30
Приемопередатчик СВЧ (одновременная идентификация)	—	Введен впервые на 2(4)диапазона
Цифровой таймер, совмещенный с БИУС СИЗОД Fuzzy	—	Введён впервые
Датчик вредных газов АХОВ (СДЯВ)	—	Предусмотрен
Бортовая информационно-управляющая система, БИУC СИЗОД Fuzzy включая: программное обеспечение СИЗОД Fuzzy	— —	Введён впервые БИКСУ Fuzzy Имеется
Масса рабочей части, кг	1,5	≤ 1,6
Габаритные размеры, мм	118x203x213	118x203x213
Гарантийный срок эксплуатации в состоянии готовности, лет	5	5

Заключение

Инновационная смена основных постиндустриальных производственных технологий потребовала изменения правил проектирования. Поиск новых возможностей для решения сложной задачи одноразового управления СИЗОД и ограниченности ресурсов в условиях неопределенности внешней среды, реализован в:

● Разработанной классификации систем защиты человека искусственным кислородом и поиске путей применения NBIC технологий в СИЗОД, показавшей место нашей технологии и направления дальнейших работ.

● Разработанной технологии смены основных технологий, характеризующейся последовательным использованием не только технологией Форсайт (Указ Президента), но и top-technology, США, ТП ЕС и России.

● Разработанной ИУC СИЗОД Fuzzy одноразового применения, обеспечившей виртуальное управление ее дыхательными режимами в БИУС защиты человека в неопределенной внешней среде на нечеткой базе знаний.

● Созданном макете системы виртуального управления БИУС СИЗОД Fuzzy, на основе СПИ-20, подтверждённом двумя патентами на полезные модели, обеспечивающие опережающий задел, а не только постепенное развитие существующих технологий. Построена дорожная карта, расширившая взгляд в будущее до 2025 г.

Не смотря на завершенную нами в 2012 году работу, проверка в мае 2013 г., по докладу Глобального института McKinsey о 12 прорывных технологий, показала правильность выбранного направления исследования и точность полученных нами результатов. Использованы 3 технологии США: мобильный интернет, автоматизация умственного труда, интернет вещей и, в перспективе, возможно применение облачных технологий (4-я технология).

Литература

1. Указ Президента РФ «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ и перечня критических технологий РФ», от 7 июля 2011 года № 899. Сайт Президента РФ. URL: http://graph.document.kremlin.ru/page. aspx?1;1563800 (дата обращения 15.09.2013).

2. Степанова А.С., Муромцев Д.Ю. Анализ развития информационно-управляющих систем с использованием научно-технологического Форсайта // Известия Самарского НЦ РАН: тематический выпуск. - Самара: Изд-во Самарского науч. центра РАН, 2009. -Т. 11 (27). № 5(2). - С. 354 – 357.

3. McKinsey Global Institute. Disruptive technologies: Advances that will transform life, business, and the global economy. URL: http://www.mckinsey.com/Insights/MGI (дата обращения 15.09.2013).

4. Дворцин М.Д., Юсим В. Н. Технодинамика: основы теории формирования и развития технологических систем - М.: Международный фонд истории науки «Дикси», 1993.–179 с.

5. Степанова А.С., Муромцев Д.Ю. Парадигма развития и классификация технологических производственных комплексов // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского. ТГТУ –2008.-Т.1, №3 (13). – С. 222-227.

6. Тищенко Е. В. Единственный шанс для преодоления кризиса в Западной Европе, Японии и США - ставка на инновации и новую экономику. URL: http://www.group-global.org/debate/view/1880 (дата обращения 15.09.2013).

7. Степанова А. С. Конвергентная технология человеко-машинного взаимодействия, на основе программирования // Объектные системы – 2011: материалы V междунар. научно-практической конф. под общ. ред. П. П. Олейника. - Ростов-на-Дону: ШИ ЮРГТУ (НПИ), 2011. - С. 9-14.

8. Иващенко А. А., Нижегородцев Р. М., Новиков Д. А. Инновационная и инвестиционная политика. Модель смены технологий. Проблемы управления. ИПУ РАН, 2005. №5. - С. 55-57.

9. Артамонов Е.И. Интерактивные системы. Синтез структур. - М.: Инсвязьиздат, 2010. – 185 с.