Изменение парадигмы инновационного

проектирования России в XXI веке

А. С. Степанова,

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

Д.Ю. Муромцев,

д.т.н., проф., зав. каф. КРЭМС,

И.Я. Муромцева,

аспир., crems@crems.jesby.tstu.ru,

Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов

Аннотация

Проведён анализ парадигм конструкторско-технологического проектирования в США, России, Японии и эволюции конкурирующих методологий в управлении проектированием жизненного цикла промышленного продукта с учётом тенденций раз-вития постиндустриального общества. Разработана методика неголомного проектирования и синтезирована новая система проектирования, учитывающая особенности России. Определён один из путей опережающего развития, позволяющий увеличить скорость выхода продукта (изделия) высокотехнологического уклада на рынок.

 

Abstract

The analysis of paradigms design research is carried out designing in the USA, Russia, Japan and evolution competing methodology in management of designing of life cycle of an industrial product with the account of tendencies of progress of society of a postindustrial society. The technique negoloming designing is developed and the new system of designing considering features of Russia is beget. One of ways of the advancing development is defined, allowing to increase speed of an exit of a product (product) of highly technological way by the market.

Введение

Любая система стремится оптимизировать эффективность своей работы для выполнения поставленных перед ней целей. Управление и успех в мире бизнеса решающим образом зависит от трех элементов:

● понимания общего состояния дел на данный момент;

● представления того уровня, который вы собираетесь достичь;

● планирования процесса перехода из одного состояния в другое.

Проведённый нами анализ технологий реинжиниринга в  проектировании [7, 10, 12] показал, что за последние годы на Западе были проведены значительные инновации в области изменения правил управления исследования-ми и разработками проектов (НИОКР), как в Японии, так и в США [2, 4, 6, 7, 10, 12, 14].

Ключевыми факторами успеха в современном промышленном производстве являются уменьшение срока выхода продукции на рынок [7,12] и клиенто-ориентированное проектирование.

Проблема методологии управления

Имеются различия в методологии управления конструкторско-технологическим проектированием жизненного цикла в различных странах [7, 12]. В результате декомпозиции проектирования нами выделены заслуживающие наибольшего внимания правила проектирования. Правила графического изображения схем, чертежей автоматизированы и  реализованы в AutoCAD, PCAD и других САD системах (рис.1).

 

рис. 1  Декомпозиция проектирования в России, США, Японии

Возрастание затрат от стадии разработки до её коммерциализации проходит по закону 1:10:100:1000, поэтому следует эффективнее проводить работу прежде всего на стадии проектирования (ранней стадии). У нас используются 5-7 этапов проектирования, за рубежом – 3. На Западе вместо НИОКР применяется деление на research, development, engineering, technology. Актуальность  в экономии ресурсов была всегда, но при  проектировании она наиболее эффективна. Значимо и увеличение скорости проектирования CAD/CAM/CAE/PDM системы.

По литературным данным известно, что наибольшие затраты всех ресурсов приходятся на технологическую подготовку производства (ТПП) [8,10]. При внедрении стандартов ЕСТПП были выявлены две проблемы [8].

·         Проблема 1. Последовательное преобразование системы технологической подготовки производства в систему подготовки производства, охватывающую весь комплекс работ до выхода производства на установившийся серийный или массовый выпуск изделий.

·         Проблема 2. Формирование целевой функции системы подготовки производства, исходя из потребностей систематического повышения технического уровня и обновления выпускаемых изделий при наиболее рациональном использовании ресурсов, выделенных на их разработку, производство и применение.

Особенности проектировании в России

Мы будем рассматривать правила проектирования первого этапа жизненного цикла изделия: конструкторско-технологическую подготовку производства в виде чертежей и схем, технических условий, технологической документации. В России вопросы управления правилами проектирования чертежей, схем, как были в единой  системе конструирования ЕСКД, ЕСТД, ЕСТПП 60-х годов XX века при существующем тогда рынке продавцов (а не покупателей, как сейчас), так и остались без изменения в XXI веке.

Особенности проектировании в США

Подобная картина с ориентацией на рынок была характерна даже для IBM, США, в начале  90-х годов  XX века [12,14].  Только  к 1998  году во  всех  подразделениях  компании IBM  был внедрён процесс интегрированной разработки продукции (ИРП). В наш ГОСТ Р 51814.6– 2005, аналог APQP, было также введено управление по ключевым характеристикам (показателям), новым для нашей технической культуры, и появился план управления (Control Plan).

Особенности проектировании в Японии

В Японии проектирование продукции существенно изменено. Используется новая методология управления проектированием, технология реинжиниринга, разработанная профессором Г. Тагути, требующая использование выбранного критерия робастности проектирования и достижения максимально возможного снижения дисперсии отклика. Производится настройка совокупности значений характеристик проекта для достижения целевых показателей его функционирования. Технические допуски при этом предполагаются максимально широкими из всех возможных, что обеспечивает низкие производственные затраты.

Цикл жизни любого товарного продукта Тагути предлагает разделить на две неравные части. Первая – разработка и внедрение изделия, всё то, что предшествуют товарному производству. Вторая – собственно производство и эксплуатация. Технологической основой робастного проектирования служит планирование эксперимента, а при обработке результатов эксперимента предпочтение отдается графическим методам или, в крайнем случае, дисперсионному, а не регрессионному анализу [7].

Выполнение этих работ осуществляется по проектам, технологиям, имеющим информационные технологии по стандартам PMI или IPMA. В мировой литературе уже используется комбинация project business.

Решение

Проведёно сравнение моделей проектирования в США, России и Японии. В результате (рис. 2) получены табличные, графические результаты и математические модели. Они выявили необходимость изменения правил проектирования при минимизации времени проектирования до выхода продукции на рынок. Лучшими оказались результаты в Японии. Так разработка проекта (НИОКР) в Японии лучше по сравнению с Россией:

     в России в два раза медленнее, чем в Японии           (1)

Наиболее важна скорость разработки и производства продукции до выхода её на первичный рынок для тестирования рынком. В Японии она лучше, чем в России:

 в России в 5,5 раз медленнее, чем в    Японии             (2)

Технологическая подготовка производства в Японии:

   в России в три раза медленнее, чем в Японии                      (3)

Полученные результаты показывают, что слабым звеном в исследовании и обосновании разработки (НИР) и разработке проекта (ОКР) являются различия в правилах и технологии проектирования в разных странах, с раз-личными технологическими укладами – на что ни один из известных нам авторов  внимания не обратил.

рис. 2  Особенности проектирования в США, Японии и двух вариантов в России

 

Особое внимание при формировании полного жизненного цикла системы и объектов (ПЖЦСиО) должно быть обращено на то, что не любая локальная экономия ресурсов на отдельных этапах жизненного цикла изделия целесообразна, так как в отдельных случаях она может снижать общий экономический эффект.

Гипотеза

Мы предположили, что применение технологии управления исследованиями и разработками проектов в условиях парадигмы проектирования, существующего в России индустриального общества с 3-м и 4-м технологическими укладами, не подходят к парадигме развития постиндустриального общества. Получаются высокие риски покупателя и высокие затраты на ресурсы у разработчика и изготовителя.

Требуется создание новой парадигмы проектирования, учитывающей как специфику России, так и существующие у нас ограничения.  Для синтеза оптимального управления потоком проектов и увеличения скорости выхода инновационного продукта высокотехнологического уклада на рынок, использованы работы Главного Конструктора по разработке систем «СПУТНИК» П. Г. Кузнецова и авиаконструктора Р. ди Бартини [6]. Введёно понятие виртуального центра (руководителя проектов). Закон ОУ для целевых функций с учетом  будет иметь вид:

                                                                                (4)

 

.

 

Система уравнений для определения  точки Нэша:

 

.                                                             (5)

 

Для проектов частного вида нам удалось решить задачу построения эффективного механизма функционирова-ния и оптимального управления иерархической активной системы потока проектов.

     Проведён вычислительный эксперимент и имитационное моделирование схемы управления в точке бифуркации. Рассчитаны амплитудно-частотные и фазовые характеристики системы управления. Для проверки расчёта функционирования системы с устройством радиосвязи проведёна оценка качества функционирования информационно - модулирующего комплекса «КОК». Результаты совпадают эквидистантно.

Без знания алгоритма развития сложных систем в постиндустриальном обществе сейчас невозможно направлять развитие в исследовании сложных систем, обеспечивая конкурентоспособность инновационной продукции. В тоже время для стран с 3-м и 4-м технологическими укладами экономики, как в России, до сих пор не разработан такой алгоритм, обеспечивающий возможность перехода к более высокому 5 и/или 6 технологическому укладу.

     С учётом второго закона К. Гёделя о неполноте, нами разработана методика неголомного проектирования (подтверждённая регистрацией интеллектуальной собственности) [11], в которой имеются две независимые скорости: скорость разработки продукции и выпуска её на рынок и скорость потребления продукции, они должны быть равны.

Vпроект. =Vпотр f (ЖЦИ)

Математическая модель, предложенная нами, современного технологического уклада России имеет вид (рис.3) и существенно отличается от современного технологического уклада США и Японии.

рис. 3  Макроэкономическая модель технологического уклада в России

В методику проектирования [11], кроме имеющихся этапов ГОСТ ЕСКД, ЕСТД, предложены дополнительные этапы робастного проектирования по Г. Тагути и исключены отжившие этапы проектирования, не используемые уже сейчас в развитых странах.

Методика основана на теории информации, обеспечивает эффективную трансформацию (КПД) системы проектирования для технологического перевооружения и создания высокотехнологичной продукции двойного назначения.

Выделено 11 основных этапов, взаимосвязь между которыми показана на рис.4. Рассмотрим основные этапы нашей методики. На этапах исследования проводятся:

1. Разработка концепции неголомного управления потоком проектов.

2. Прогноз развития технологического уклада отрасли/вида техники/технологии или услуги и моделирование неголомной системы проектирования потоком проектов с учётом потребительского спроса.

3. Формирование дерева целей и структуризация функций существующей системы управления на основе системного подхода.

4. Разработка дерева целей и функций, создаваемой системы управления с использованием системного подхода.

5. Сравнительный анализ и оценка эффективности целей и функций существующей и создаваемой структуры.

6. Формирование вариантов производственного процесса управления на множестве состояний с учётом выбранного масштаба выпуска потребительского спроса.

7. Создание вариантов продукта/услуги и продажа его на пробном рынке, создание образа привлекательности инновационного товара для управления рынком.

8. Развитие вариантов продуктового управления существующего рынка.

9. Создание потока инновационных проектов и продуктов для потребительского рынка в создаваемой системе.

10. Организация производственного потока создаваемой неголомной системы.

11. Развитие синхронного производства в создаваемой системе. Бережливое производство.

Перечисленные этапы связаны с существующей и создаваемой новой неголомной системой управления проектирования, которые фактически связаны друг с другом. Новая структура управления вырастает из старой в силу того, что существовавшие системы управления уже не в состоянии решать новые задачи, инициированные изменившейся внешней средой. Поэтому, на графическом изображении методики, этапы не следуют строго друг за другом, а взаимосвязаны  они информационно (рис. 4).

Второй этап методики позволяет моделировать показатели, которые влияют на функционирование неголомной системы управления, обеспечивающей не столько управление проектированием, но и проектированием для рынка.

 

рис. 4 Схема методики разработки неголомного проектирования

Нами использована публикация А.А. Иващенко из Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН при формулировании и исследовании динамической модели смены технологий, в рамках которой ставится задача выбора инновационной политики [5]. В какие моменты времени необходимо начинать разработку и/или внедрение той, или иной новой технологии следующего поколения и инвестиционной политики, включая принятие решений о целесообразности ее внедрения и инвестиционной политики – каков оптимальный график инвестиционных ресурсов в новые технологии? Единственными отличиями в модели – это требование разрабатывать технологии нового – 6-го технологического уклада и знание, что для модернизации производства в России, по данным Всемирного банка, США, в мире нет таких инвестиционных финансовых ресурсов [13]. Нужны иные не финансовые ресурсы. Нами использовалась модель динамики развития технологий управления потоком проектов при смене технологий [3].

Предположим, что рассматривается динамика развития n і 1 технологий (последовательно сменяющих друг дру-га технологических укладов [1] или отдельных инноваций – содержательный их смысл в рамках рассматриваемой модели одинаков) на плановый горизонт T, который фиксирован и считается известным. Динамика развития i-ой технологии (ее жизненный цикл) описывается следующим дифференциальным уравнением:

 

                                                     (6)

 

где I(•) – функция-индикатор, , ui(•) – управление (инвестиции),  Q1 ≤ Q2 ≤ ... ≤ Qn   – известные предельные уровни развития технологий (технологические пределы - разность между «соседними» технологическими пределами характеризует технологический скачок),  – упорядоченному множеству технологий, t1 = 0 ≤  t2 ≤ ... ≤  tn ≤ T – конеч­ная последовательность моментов «переключения» - перехода от одной технологии к сле­дующей. Зададим начальные и конечные условия:

:

 

,                                                           (7)

Содержательно,  моменты  времени    соответствуют  «переключению»  (переходу)  на  новую  технологию,

известные величины  - потерям, связанным с переходом, ui(•) ≥ 0 – динамике изменения ресурсов, вкладываемых в развитие технологий, . Динамика i-ой технологии описывается обобщенным логистическим уравнением со скоростью роста, описываемой известной функцией , зависящей от уже достигнутого на предыдущем этапе уровня xi(ti) развития (точнее - «стартового» для данного этапа уровня - (7) и количества ресурсов ui (•). Траектория , характеризует уровень развития технологий.

Определим достигнутый к концу планового горизонта T уровень развития технологий X (T):

                                                                             (8)

В результате, используя все потенциальные возможности технологий проектирования стран с различными технологическими укладами, мы получили интегрированную систему проектирования, включающую не только само проектирование, но и встроенную взаимосвязь самого проектирования с рынком покупателей.

Выводы

Выполненная нами работа позволяет увеличить скорость выхода инновационного продукта (изделия) высокотехнологического уклада на рынок с учётом дополнительного снижения индивидуальных рисков за счёт:

·         развития  метода анализа и синтеза управления исследованием и разработкой проектов на множестве состояний;

·         обоснования методики и выявления моделей прогнозирования потоком проектов сложной системы для технологического перевооружения и создания высокотехнологичной продукции двойного назначения.

Проведён вычислительный эксперимент и имитационное моделирование системы с квадратичным функциона-лом предлагаемой системы проектирования по критерию Найквиста с построением амплитудно-фазовой характе-ристики в среде Matlab. В точке бифуркации принималось решение о дальнейшем пути эволюции системы, а на детерминистском этапе принятое решение реализуется. После окончания реализации принятого решения система опять попадает в состояние бифуркации. На этом уровне абстрагирования и детализации этап реализации решения представляется однородным и лишенным какой-либо внутренней структуры. Однако при более детальном рассмотрении выясняется, что этап реализации некоторого важного решения (решения 1-го уровня) сам состоит из определенной последовательности этапов, на которых принимаются определенные решения (решения 2-го уровня), вытекающие из решения 1-го уровня и этапов их реализации [7].

В результате нами получена одна из возможных технологий проектирования на множестве состояний функционирования различных проектов конструкторско-технологического назначения с сокращённым временем их разработки до выхода на рынок. Она заимствует существующие и исключает отжившие правила конструирова-ния  в своей области. Исключаются: тех. проект ЕСКД, ЕСТД, ТПП, проектные работы, экономя время и ресурсы.

Теоретические исследования проблем выявили изменение энтропии неголомного проектирования, когда анализ системы приводит к повышению энтропии, а синтез системы проектирования – к её уменьшению, что в конечном итоге приводит к значительной экономии всех ресурсов. Установлено, что технологические связи первичны от-носительно организационных. Решение найдено в разработанной нами классификации технологических процессов развития. Выполнена реальная разработка, положительно подтвержденная ОАО «Корпорация «Росхимзащита».

Существуют противоречия проектирования, требующие своего законодательного решения. Такие инициативы нами подготовлены. Это различия:

·         между существующей парадигмой проектирования в России и новыми правилами проектирования, используемые нашими конкурентами;

·         между существующими технологиями, полиномиальными по своему состоянию и линейными по управлению задачами оптимального управления с функциональными законодательными ограничениями;

·         отсутствием правовой базы на использование новых правил и процессов разработки.

Литература

1.     Акунов, В.И. Самонормирование (самоорганизация) сложных систем переработки вещества, энергии, информации. Академия Тринитаризма/ В.И. Акунов, А.Л. Чечик, Ю. Г. Заикин. Свободный доступ: www.trinitas.ru/rus/doc/0232/009a/02321044.htm

2.     Аналитический центр. Глобальная технологическая революция. Национальный совета по разведке США. Проект 2020. Свободный доступ: http://www/nps.sarov.ru

3.     Бурков, В.Н. Основы математической теории активных систем/ В.Н. Бурков.- М.: Наука, 1977. -255 с.

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

5.     Иващенко, А.А. Механизмы финансирования инновационного развития фирмы/А.А Иващенко, Д.В., Колобов, Д.А. Новиков - М.: ИПУ РАН, 2005. - 66 с.

6.     Кузнецов О.Л. Система природа—общество—человек: Устойчивое развитие. — Государственный научный центр Российской Федерации ВНИИгеосистем; Международный университет природы, общества и человека / О.Л. Кузнецов, П.Г Кузнецов, Б.Е.Большаков. - М.: «Дубна», 2000. —  403 с.: ил. (http://www.pobisk.narod.ru/Pr-ob-ch/004_avtory.htm)

7.     Леон, Р. Управление качеством. Робастное проектирование. Метод Тагути/Р. Леон, А. Шумейкер, Р. Какар, Л. Кац, М. Фадке, Г. Тагути и др. Пер. с анг. – М.: СЕЙФИ, 2002.-384 с.

8.     8 Логашев, В.Г. Технологические основы гибких автоматизированных производств/ В.Г. Логашев. - Л.: Машиностроение, 1985.- 178 с.

9.     Муромцев, Ю.Л. Принятие проектных решений/ Ю.Л. Муромцев, Д.Ю.Муромцев, Л.П.Орлова.– Тамбов: ТГТУ, 2005.–458с.

10.   Путин, С.Б. Принципы, модели и методы управления инновационными проектами при создании систем жизнеобеспечения и защиты человека: монография/ С.Б. Путин.- М.: Машиностроение-1, 2007.- 132 с.

11.   Степанова А.С., Муромцев Д.Ю. Методика неголомного проектирования. Свидетельство интеллектуаль-ного продукта №72200900001. - М.: ФГУП "ВНТИЦ", 2009 год.

12.   Чейз, Ричард. Производственный и операционный менеджмент, 10-е издание (+CD)/ Ричард Б. Чейз, Ф. Роберт Джейкобз, Николас Дж. Ак. – Вильямс, 2007. – 1184 с.: ил.

13.   Энергоэффективность в России: скрытый резерв. Представительство Всемирного банка в Российской Федерации. Отдел по вопросам управления экономикой и экономической политики [Электронный ресурс]. - Свободный доступ: http://siteresources.worldbank.org/INTRUSSIANFEDERATION/Resources/rer17_rus.pdf

14.   Andrew Davies, Michael Hobday. The Business of Projects: Managing Innovation in Complex Products and

15.   Systems, Cambridge University Press, 2005, p.312.