Синтез технологии проектирования и ситуационного управления
с оценкой альтернатив
А.С.
Степанова,
магистр
техн. и техн-ии, ser23n2005@yandex.ru
С.Л.
Степанов,
вед. инж.,
ОАО «Корпорация «Росхимзащита», г. Тамбов
Проведён системный анализ развития надотраслевых
технологий. На основе альтернатив трех видов прогнозных исследований, принято
Форсайт исследование, с вектором перспективного планирования до 2025 года.
Впервые применено расширенное множество для технологий, на нечеткой базе
данных, обеспечивающее больший охват рассматриваемых технологий. На втором,
конструкторском этапе, применяют измененный цикл проектирования на основе
теории цикла Джона Бойда. Показан пример применения двух надотраслевых
технологий.
The system analysis of development the high technologies. On the basis of
alternatives three types of statistical studies, it is customary foresight
study, the vector of forward planning up to 2025. First used many advanced
technologies for, on fuzzy database, providing greater coverage of the
considered technologies. Second, the design stage, apply the modified design
cycle based on the cycle theory of the Boyd Cycle. Shows an example of
applying two high
technologies.
1. Технологические вызовы опережающего развития
Научно-технологическая ситуация должна обеспечить
опережающее развитие России в XXI веке.
В последние десятилетия все устаревшие неэффективные производства перебрасывались в Китай и Юго-Восточную Азию, но при этом использование
дешевой и, зачастую, неквалифицированной рабочей силы тормозит
научно-технический и технологический прогресс. Сейчас технологии, на новом
уровне, возвращаются в метрополии, причем обеспечиваются новые технологии
изготовления изделий. Технический прогресс развивался до сих пор линейно, по S- образной логистической кривой развития, путем
усовершенствования уже изобретенного, например, увеличение числа элементов на
электронном чипе, а не принципиально нового решения [1,2].
Новые производственные технологии принципиально меняют
структуру производства изготовления, создают новые рынки и новые отрасли, уничтожают
низкоэффективные массовые производства типовых продуктов, снижают зависимость
от дешевых трудовых ресурсов, зарождая новую индустрию. Существующие подходы к
синтезу и управлению разрознены, не имеют единой теоретической базы. Отвечая на
вопрос: «Как?» чаще всего не отвечают на вопрос: «Почему?». Поэтому решения,
принятые в одних условиях, могут быть не эффективными в других [3,4]. Для решения
проблемы опережающего развития технологий существуют три формы предвидения.
Форкаст
(forecasting)
– математическая модель, по которой можно просчитать развитие какого-либо
явления или процесса, а также представить себе конечные показатели того, как
будет устроен этот процесс, в соответствии с логистической кривой.
Форсайт (foresight) – это совместное
видение, построенное участниками процесса, позволяющий определить
стратегические направления исследований и новые перспективные технологии.
Промышленно-технологический Форсайт РФ – это проект Министерства промышленности
и торговли Российской Федерации в 2011, 2015 годах.
Дорожная карта (roadmaping)
– третий вариант работы с будущим. Зная нынешнее состояние и точку, в которую
необходимо попасть, необходимо построить карту движения к будущему, с учетом
истории технологии, тенденций развития технологий заместителей, анализ рынка
технологий и своего финансового обеспечения [5].
В нашей работе использован промышленно-технологический
Форсайт, реализованный в Указе Президента РФ № 899, где определены направления
исследований по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники
[6]. Минобрнауки РФ регулярно обновляет Форсайт, последний раз – в 2015 году.
Будущее многовариантно на множестве состояний
функционирования и многое зависит от того, куда будут развиваться основные индустриальные
технологии XXI века
и кто реально работает на технологическом рынке. Новая индустрия переживает три промышленные
революции, которые скажутся на ключевых рынках.
Первая революция связана с
применением новых материалов с заранее заданными свойствами – новые материалы и
нанотехнологии с заранее заданными
свойствами и, зачастую, управляемыми
свойствами [7].
Вторая
–
с изменениями в проектировании и инжиниринге.
Третья – с внедрением «умных» сред
(инфраструктуры).
Синтез новых поколений высокоэффективных технологий имеет несколько путей развития, на базе конкретных секторов экономики, на приоритетных
направлениям мирового развития, для промышленного применения.
Использование
только одного научно-технологического – Форсайт исследования в одной стране не
позволяет изменить технологический уклад в одной взятой стране. Управление будущим развитием науки и технологий возможно только с использованием международного
опыта Европейского Союза, США, Японии.
Глобальная цель мировых высокотехнологичных компаний –
создание (разработка), производство и вывод на рынок превосходящих мировой
уровень или глобально конкурентоспособные инновации в кратчайшие сроки.
Рассмотрим возможности управления второй революцией, с
учетом теории нечетких множеств [8].
При выборе вектора развития технологий проектирования и
инжиниринга необходимо учитывать нечеткость
исходных
данных, результатов применения утвержденных расчетных, инструментальных и иных
методик оценки
прогнозирования
перспективных технологий проектирования и управления, рис.1 [9].
В качестве исходных данных для расчета нечетких множеств,
на трех уровнях, приняты правила.
Наибольшего внимания заслуживают
разработка и применение надотраслевых, в том числе информационно-коммуникационных технологий,
как технологий с бòльшим выпуском систем будущего и изделий с малой себестоимостью, за счет масштаба выпуска [10].
Следующие по значимости – интегрированные
межотраслевые технологии с меньшими объемами выпуска и большей
себестоимостью. Отраслевые технологии занимают последнее место, при невозможности
применить надотраслевые и интегрированные
межотраслевые.
рис. 1 Классификация неопределённых факторов
прогнозирования
Проблема. Необходимо
выявление и формирование потребительских ценностей разрабатываемых технологий. При этом, после
выбора вектора развития нужно изменить правила управления проектированием
(НИОКР).
Необходимо использовать НИОКР и опытно-технологические
работы (ОТР) с параллельным проектированием, испытания и сертификацию по
международным требованиям, разработку/применение
технологий аддитивного или иного перспективного производства (по Форсайт), выпуск инновационной
продукции и продвижение этой технологии и продукции на рынках.
Рынки в России и мире уже давно поделены и для
того, чтобы конкурировать, необходимо доказывать свои преимущества. Необходимо разрабатывать перспективные технологии с запасом по времени
использования выпускаемой продукции на 10-15 лет. Для ускорения разработки и снижения
себестоимости необходимо использовать 3D промышленные принтеры,
оснащенные программными комплексами для цифровых моделей производства в
аддитивных технологиях.
Объектом
исследования являются технологии проектирования и управления, актуальные до
2025 года.
Цель работы -
разработка концептуальных подходов к созданию технологий проектирования и
управления, актуальных до 2025 года,
обеспечивающих приоритет выпуска промышленной инновационной продукции.
Задачами работы являются:
- проведение системного анализа в области прогнозирования
технологий проектирования и управления, с использованием Форсайт на
перспективных направлениях развития перспективных технологий;
- оценка существующего научно-технического,
технологического потенциала и синтез технологий проектирования и ситуационного
управления с оценкой альтернатив, включая обеспечение полного жизненного цикла технологий
и их управление;
- обоснование
подходов и разработка предложений по формированию требований к технологиям проектирования
и управления, с обеспечением минимальных потерь или большей
робосности процесса.
Правило. Если рост системы технологий (рост потока свободной энергии)
обеспечивается за счет роста суммарного энергопотребления, то имеет место не
развитие технологии, а ее экстенсивный рост.
2. Оценка существующего уровня технологий
проектирования и управления
Проведенный анализ показал, что в технологически развитом
мире постоянно возрастают требования, предъявляемые к высокоэффективным
технологиям проектирования/конструирования и их элементной базы [1,2,11].
Отличительной особенностью
зарубежного подхода к процессу проектирования является автоматизация всех этапов
проектирования. Используемые инструменты автоматизированного проектирования
образуют централизованную систему, основное назначение которой поддерживать
целостность информации о разрабатываемом изделии на всем продолжении процесса
проектирования. Больше внимания уделяется использованию автоматизированных
инструментов принятия конструкторского решения на основе сравнения различных
вариантов по количественным показателям.
Длительность
процесса создания новой
технологии является главной задачей управления проектированием технологий.
Запаздывание с внедрением новой технологии и новой продукции может привести к потере
рынка.
3.
Структурные изменения технологий проектирования на основе теории цикла Джона Бойда (OODA)
Гипотеза. Мы
предположили, что разработка опережающих технологий на основе отечественных и междуна- родных
Форсайт, с приоритетом России, больше,
чем сумма его отдельных частей (синергетический эффект) и имеет свой
собственный резонанс при пользовании цикла Д. Бойда, в условиях конкурентной
среды.
Д.
Бойда подкреплял свои философские обоснования тремя основными научными
теоремами [12]:
§ второй теоремы
К. Гёделя о неполноте [13];
§ принципа
неопределенности Гейзенберга;
§
второго закона термодинамики.
Причем сейчас, при смене основных
технологий, можно и нужно изменять правила
проектирования, обеспечивая приоритет разработок по критерию
перспективности, а не только новизны, на основе цикла Д. Бойда,
и только потом проводить конструкторские работы, на базе приоритетных
технологий мирового развития науки и технологий для промышленного
использования, рис.2.
На рис. 2 показаны концептуальные подходы к созданию
технологий проектирования и управления с учетом прогнозирования технологий
проектирования и управления на основе Форсайт, с оценкой альтернатив. Основной
акцент делается на первом стратегическом этапе прогнозирования для попадания
полученных технологий в область расширенного множества состояний
функционирования в области допустимых значений.
рис. 2
Внешняя среда и эффективные решения управления
Мировыми тенденциями
развития являются создание центров
превосходства по ключевым предметным областям, новой бизнес-модели и/или технологии которые, создавая потребительскую ценность,
обеспечивают долгосрочный рост валовых доходов для лидирования на новых
рынках принципиально новых технологий.
В соответствии с четвертым постулатом Д. Бойда достижения
конкурентных преимуществ обеспечивается:
§ сокращением
времени выполнения цикла OODA;
§
улучшением качества применяемых в цикле
решений, когда устойчивое развитие общества
обеспечивается за счет увеличения КПД технологий, увеличения
коэффициента ресурсоотдачи
и увеличения качества управления
ресурсами.
На основании теоретических предпосылок, Д. Бойда сделал
вывод, что для соответствия реальности необхо-димо
выполнять действия в непрерывном цикле, во взаимодействии с окружающей средой,
учитывая его посто-янные изменения. На рис.3 показана
модель конкурентной борьбы с двумя
конкурентами [12].
рис. 3 Модель конкурентной борьбы, по циклам Д. Бойда, двух
конкурентов
Наиболее
оптимальным сейчас, в проектировании технологических структур, является
использование новой парадигмы, заключающейся в использовании научных знаний (wisdom), понимания и применения связей в системе
будущего, для минимизации расходуемых ресурсов. Причем необходимо учитывать
тенденции и вектор смены основных и вспомогательных технологий в первой
четверти XXI века ведущими странами мира,
развивающими технологии будущего [11].
Будем различать два способа в развитии основных
технологий: пассивная и активная [12].
К пассивным технологиям будем относить
способы технологического развития, которые осуществляются параллельно «мировым
тенденциям», но за счёт отказа от части технологий и концентрации усилий и
ресурсов на оставшихся, позволяют оптимизировать процесс ликвидации нашего
отставания – догоняющее развитие.
К активным технологиям будем относить приоритетное
развитие технологий будущего, имеющих прямую направленность на мировое
лидерство в наиболее перспективных для России областях знаний, для опережения
конкурентов – опережающее
ассиметричное развитие.
4. Решение
Для комплексного учета всех факторов, на основе интеграции множеств
состояний функционирования (МСФ) и нечетким множеством (НМ), вводится
расширенное множество состояний функционирования (РМСФ) [14]. Структура РМСФ H показана на
диаграмме Эйлера-Венна, рис. 4.
рис. 4 Расширенное
множество состояний функционирования и области допустимых значений
Использованы обозначения:
Рассмотренная структура множества H позволяет
для его введения использовать метод анализа иерархий. На верхнем уровне
иерархии располагаются состояния
Серьёзные
трудности при введении множества H для сложных систем связана с большой
мощностью МСФ
Эффективность
функционирования любой технологии определяется ее надежностью, условиями
работы, воздействиями внешней среды и другими факторами, имеющими
детерминированную, вероятностную или нечеткую природу. Для комплексного учета
всех этих факторов на основе интеграции множеств состояний работоспособности
(МСР) технологий с множеством ситуаций
(МС) и нечётким множеством (НМ) вводится расширенное множество состояний
функционирования (РМСФ) технологий.
Задачи определения
вероятностей состояний работоспособности и функционирования системы, а также
построения функций принадлежности НМ исследованы и освещены в научной
литературе [8].
Однако вопросы
их применения для технологий и
объединения в один показатель – вероятность состояния РМСФ до настоящего
времени не рассматривались. Все они основываются на декомпозиции системы,
построении моделей состояний работоспособности всей системы и составных частей,
а затем решении систем уравнений или использовании рекуррентных формул [14].
Знание состояний
работоспособности технологии и вероятностей этих состояний во многих случаях недостаточно для
прогнозирования показателей ее эффективности в процессе реальной работы. Более
полно возможные состояния функционирования при длительной эксплуатации
технологии отражает РМСФ [14]. В РМСФ наряду с состояниями работоспособности
учитываются смены режимов работы, связанные с изменениями в технологии,
постановок задач управления, интенсивности внешних воздействий.
Возможные состояния функционирования при длительной
эксплуатации технологии отражает МСФ, в котором наряду с
состояниями работоспособности учитываются все ситуации, то есть смены режимов
работы, связанные с новыми заданиями, изменения постановок задач управления,
появление интенсивных внешних воздействий [14].
Вместе с тем МСФ не позволяет учитывать быстро меняющуюся обстановку внешнего
окружения. Для описания таких ситуаций при оперативном принятии решений
используются нечеткие множества (НМ) [8].
В качестве критерия
в развитии мировых тенденций развития технологий, использована
методика, утвержденная приказом Росстата [15] на основе рекомендаций Евростата и
ОЭСР на основе NACE Rev.1.1.
Ограничения. Результаты проектов должны кратно превышать основные
характеристики существующих технологий. Для промышленных 3D принтеров -
использовать только отечественные расходные материалы.
5. Пример использования
При создании массового переналаживаемого цифрового
производства будущего, можно использовать одну из надотраслевых технологий – информационную технологию, ставшую принципиально
новой с методологической точки зрения, так как она стала общей надотраслевой
базой, создавая общие конвергентные технологии, значительно повышающие качества
получаемых технологических систем [10].
По Указу Президента РФ № 899, информационно-телекоммуникационные
системы выделены в приоритетное направление развития науки, технологий и
техники в РФ, п.3 [6].
Цифровые технологии обеспечивают взаимосвязь различных
производственных процессов. Известно приме-
нение информационных технологий в средствах защиты
органов дыхания [16]. Результатом их использования явилось кратное улучшение основных
технических характеристик, подтвержденные патентами [16,17].
Основываясь на предлагаемых концептуальных подходах,
удалось разработать технологию ситуационного управления с оценкой альтернатив,
временем работы средств изолирующей защиты органов дыхания (СИЗОД), отсутствующая в России и зарубежом, основывалась на
правильно поставленной задаче.
Есть вторая новая надотраслевая
производственная технология – аддитивная технология, 3D- промышленные
принтеры, одновременно с которой развивается робототехника и новые материалы. В
отличие от традиционных технологий обработки материалов, где создание деталей
происходит путем удаления «ненужного» материала, новая промышленная технология
обеспечивает получение деталей путем прибавления материала, в том числе
послойно
с наноструктурами.
Эти аддитивные технологии с аддитивными машинами
позволяют на порядок ускорить разработку НИОКР, прототипирование
и решение задач подготовки производства с минимальными затратами, обеспечивая
повышение скорости разработки, постановки на производство, управляемости
процессами и технологиями, обеспечивая эффективность производственных процессов,
их промышленную автоматизацию и
роботизацию.
3D принтеры в этой
технологии используются для макетирования прототипов конструкций, сборочных
единиц и деталей, без разработки чертежей в AUTOCAD,
получая значительную экономию времени и средств. Одновременно с изготовлением
прототипа и проведением испытаний получают необходимые рабочие чертежи. Особенностью
является экономия на операционном и финишном контроле, при цифровом управлении.
Заключение
Принципиальное отличие
высоких технологий от других основывается на вызываемых ими эффектах самоорганизации систем, с
возможностью предсказания результатов этих эффектов за счет ИПИ (CALS) технологий в реальном времени, из единого центра обработки всех
результатов и цифровой системы управления.
v Из выделенных
надотраслевых, интегрированных межотраслевых и отраслевых технологий приоритет
отдан надотраслевым технологиям и, при невозможности их применения,
интегрированным межотраслевым.
v Синтез
систем проектирования, на втором конструкторском этапе (НИОКР), в соответствии
с циклом Д. Бойда, требует ускоренной
разработки перспективных технологий.
v Парадоксально, но для более широкого анализа и
перспективного синтеза новых направлений технологий требуется использовать
нечеткие множества на множестве состояний функционирования.
v Рекомендован
международный критерий оценки развития мировых тенденций
развития технологий по методике, утвержденной приказом Росстата, на
основе рекомендаций Евростата и ОЭСР.
v Так как сами по себе технологии не прибыльны (прибыль приносят только
технологические операции и логистика в них) сравнивать необходимо выпускаемые по
этим технологиям изделия и системы.
v Предложена
измененная система управления технологией проектирования, на основе цикла Д. Бойда, отличающаяся введением стратегического анализа надотраслевых и интегрированных межотраслевых
технологий.
v Впервые примененное РМСФ для технологий, на нечеткой базе данных,
обеспечивает больший охват рассматриваемых технологий при анализе, обеспечивая
больший КПД, как новой технологии, так и изделий.
v Использование на первом этапе нечетких
множеств, позволяет сделать систему управления технологией универсальной,
способной описать ее в различных условиях функционирования.
v Гипотеза подтверждена примером использования
двух надотраслевых технологий: информационной (информационно-коммуникационной) и
3D промышленной технологии для СИЗОД.
Литература
1.
Трапезников В.А. Управление и
научно-технический прогресс / В. А. Трапезников. – М.: Изд.- во ИПУ РАН, 1985/2005. – 223 с.
2. The RAND Corporation. The Global Technology Revolution 2020, Executive Summary. Nio/Nano/Materials/ Information Trends, Drivers,
Barriers, and Social Implications. http://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/monographs
/2006/RAND_MG475.pdf
3.
Рубин М.С. О теории проектирования инновационно-технологических систем. 2
апреля 2008 г., Санкт-Петербург. http://www.temm.ru/ru/section.php?docId=3935
4.
Белоусов Д.Р., Фролов
И.Э. Методологические и предметные особенности прогнозирования
научно-технологического развития в современных условиях // Проблемы прогнозирования. – М.: Изд-во Учреждение
РАН «Институт народнохозяйственного прогнозирования РАН», 2008. - № 3. -
С. 88-105.
5. Методические материалы по
разработке «дорожной карты» по развитию новой отрасли экономики от 13 марта
2013 г. http://innovation.gov.ru/sites/default/files/documents/2014/13730/2834.pdf
6.
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: http://graph.document.kremlin.ru/page.
aspx?1;1563800.
7. Кун Томас. Структура научных революций: пер. с англ. М.: Прогресс, 1977.
– 325с.
8.
Заде Л.А. Понятие лингвистической переменной и его применение к
принятию приближенных решений. - М.: Мир, 1976. - 165 с.
9.
Дурнев Р.А.,
Колеганов С.В. Методические подходы к комплексной оценке уровня безопасности
объектов транспортной инфраструктуры: постановка задачи и замысел решения.
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты,
№ 2, 2014. – С. 29-34.
10.
Ковальчук М.В.
Конвергенция наук и технологий – прорыв в будущее//«Российские нанотехнологии». 2011. - №
1-2, - С. 13-23.
11.
Мусин М.М., Губанов С.С. Новая
индустриализация. Прогресс или регресс. // Сверхновая реальность. 2013. - № 6, - С. 20-27.
12.
Ивлев А.А. Основы теории Джона Бойда.
Принципы, применение и реализация. http://www.milresource.ru /Boyd.html
13. Нагель Э. Теорема Гёделя: Нагель
Эрнст, Ньюмен Джеймс Рой. пер. с англ. - М.: КРАСАНД, 2010. -120 с.
14. Блохин А.Н. Моделирование
развивающихся систем на множестве состояний
функционирования//Вестник ТГТУ. 2009. -Том 15. № 1. – С. 17-20.
15. Методика расчета показателей «Доля
продукции высокотехнологичных и наукоемких отраслей в валовом внутреннем
продукте». Утверждена приказом Росстата от 14 января 2014 года, № 21.
16. Степанова А.С. Патент, RU № 103735, МПК A62B7/08, (2006.01), 2010 г.
17. Степанова А.С. Патент, RU №
116776, МПК A62B 7/08, G01 (2006.01), 2012 г.