Метод оценки перспективности сложных технических систем на основе ретроспективного анализа

С.С. Семенов,
рук. гр. анализа и персп.. проект., к. т. н., gnppregion@sovintel.ru,

АО "ГНПП "Регион", г. Москва

В настоящее время важность выявления и использования перспективных технологий приобретает первостепенное значение. В связи с этим становится актуальным разработка методических подходов по оценке перспективности новых технологий и сложных технических систем (СТС). В настоящей статье показано, что эволюционное развитие техники происходит на линейном участке логистической кривой совершенствования технологий (эффективность технологии–время). Это дает возможность определить при ретроспективном анализе степень перспективности новой техники по линейному тренду ее развития. В качестве критерия эффективности СТС выбран коэффициент технического уровня К_ТУ СТС. Сущность предложенного метода заключается в оценке прироста К_ТУ разрабатываемого (оцениваемого) или перспективного образца техники (СТС) по отношению к ранее разработанному объекту (аналогу). Шкала перспективности объекта техники в семантической форме (неперспективная, малоперспективная, перспективная, весьма перспективная) разработана применительно к высокотехнологичным объектам техники на примере управляемых авиационных бомб. Данный метод целесообразно использовать при выборе направления научно-исследовательских работ и на начальных этапах проектирования новой техники.

Currently, the importance of identifying and using advanced technologies is paramount. In this context it becomes urgent to develop methodological approaches to assess the prospects of new technologies and complex technical systems (CTS). This article shows that the evolutionary development of technology takes place in the linear part of the logistic curve improvements in technology (technology efficiency - time). This makes it possible to determine a retrospective analysis of the degree of promising new technique for linear trend of its development. As a criterion of the effectiveness of CTS selected rate technical level К_TL. The essence of the proposed method is to estimate the growth of the developed К_TL (estimated) or prospective sample technique CTS with respect to the previously developed project (analogue). Scale prospects object technology in the form of semantic (unpromising, not very promising, promising, very promising) developed in relation to the high-technology facilities managed by the example of operated aviation bombs. This method should be used when choosing the direction of scientific research and in the early stages of the design of new equipment.

1. Характер развития современных сложных технических систем и оценка их перспективности

Как показали исследования, проведённые в монографии [1], для новой современной техники характерно наличие сложных технических систем (СТС). Технический прогресс ведет к постоянному уменьшению сроков жизни каждого последующего поколения одной и той же разновидности изделий, в том числе оружия и военной техники: от момента зарождения образца нового поколения до его морального старения проходит все меньше времени. При этом конструкция образца все более усложняется из-за стремления максимально выполнить предъявляемые к нему требования. Усложнение конструкции системы оружия ведет к увеличению трудоемкости ее разработки, сроков ОКР и производства.

По оценкам специалистов, смена поколений большинства технических устройств машиностроения (двигателей, самолетов, автомобилей и т. п.) происходит не реже, чем каждые 5–10 лет, а по наиболее динамично развивающимся разновидностям (радиоэлектронным системам. ЭВМ и т. п.) — за один–два года. В связи с важностью выявления перспективных технологий, а также учитывая то, что интервал времени от идеи до внедрения для современных объектов техники сокращен (например, смена поколений компьютеров происходит за 1–3 года и менее), первостепенное значение приобретает фактор выявления новых прогрессивных технологий, которые обеспечат в будущем фирме-разработчику успех и опережающее развитие.

Известно, что развитие СТС подчиняется в соответствии с S-образным видом развития технологий (рис. 1). Линейный и экспоненциальный рост функции, наблюдаемый на определенных этапах развития технологии, можно рассматривать как аппроксимированные отрезки логистической кривой [2, 3].

Рис. 1. Логистическая кривая роста производительности технологического процесса (П):

- старая технология; - новая технология, зарождающаяся при существующей

На рис. 1 экспоненциальный характер имеет часть логистической кривой в интервале (t₁ – t₂), характеризующем период зарождения и экспериментального опробования технологии, которая повышает производительность процесса изготовления продукции. Этот период, когда СТС имеет малый удельный вес среди других аналогичных СТС, называется латентным периодом. Линейный характер зависимости появляется на этапе (t₂ – t₃) наращивания выпуска продукции, изготовляемой по новой технологии, который можно характеризовать как бурное развитие нового поколения СТС. Период насыщения соответствует интервалу (t₃ – t₄), когда становится необходимым переход на принципиальную новую технологию. Время жизни поколения СТС составляет интервал времени (t₄– t₁).

Новую технологию разрабатывают не только после окончательного устаревания и отмирания прежних технологических методов. Иногда новая технология рождается еще при существовании экономически жизнеспособной старой технологии (точка t₂'). Определение момента замены технологических процессов, а, следовательно, оборудования, оснастки и т. д. является сложной задачей, решение которой возможно на базе всестороннего анализа современного состояния и прогнозирования перспектив технологии и производства, исходя из характера развития рассматриваемого процесса.

Функция, соответствующая логистической кривой (применительно к динамике производительности технологического процесса), имеет вид [4]

(1)

где – – предельное значение производительности рассматриваемой технологии, определяет темп роста производительности технологии.

Поскольку

,

(2)

А·100% показывает – насколько процентов вырастит производительность рассматриваемой технологии по отношению к её начальному значению.

2. Метод оценки технического уровня сложных технических систем как инструмент определения их развития

Наиболее предпочтительным для развития новой техники является линейный участок (по времени (t₂ – t₃), логистической кривой, что хорошо подтверждается на примере создания нового вида техники, а именно, управляемых (корректируемых) авиационных бомб (УАБ) калибра 300 и 500 кг как объекта СТС (рис. 2) [5, 6].

Рис. 2. Зависимость коэффициента технического уровня К_ТУ УАБ калибра 300 кг в функции года окончания их разработки (К_ТУ базы сравнения принят за единицу)

Как видно из рисунков каждый создаваемый образец УАБ являлся более прогрессивным по отношению к предыдущим его аналогам. Здесь явно прослеживается эволюционно-технологический путь развития. Мерой совершенства каждого из представленных образцов УАБ является коэффициент технического уровня К_ТУ. Такой путь развития характерен для широкого класса технических объектов.

К_ТУ характеризует разрабатываемый образец по отношению к существующим аналогам (отечественным или зарубежным) [6]:

,

(3)

Рис. 3. Зависимость коэффициента технического уровня К_ТУ УАБ калибра 500 кг в функции года окончания их разработки (К_ТУ базы сравнения принят за единицу)

где К_ТУ – критерий технического уровня;

j(i) – функция, нормирующая вес i-го относительного показателя, входящего в ранжированную последовательность;

n – общее число показателей;

К_ni – относительное значение i-го показателя, значимость которого определяется местом, занимаемым в ранжированной последовательности.

Эти показатели применяются в двух модификациях:

– если повышению технического уровня соответствует увеличение рассматриваемого i-го показателя; например, увеличение дальности сброса КАБ (УАБ) (D_max), то относительное значение i-го показателя определяется по формуле:

(4)

где К_оi – величина i-го показателя разрабатываемого (сравниваемого) образца;

К_зi – величина i-го показателя аналога, принятого для сравнения;

– если повышению ТУ соответствует уменьшение рассматриваемого показателя; например, при уменьшении КВО (Е_КВО), то относительное значение i-го показателя определяется по формуле:

(5)

Наличие линейного участка роста эффективности (технического уровня (ТУ)) позволяет при ретроспективном анализе исследуемой продукции в какой-либо области техники выявить тенденции ее развития и даже определить степень ее совершенства. Эта особенность была положена в основу метода оценки перспективности СТС, который был представлен в докладе на международной научно-практической конференции "Управление большими системами – 2011" (14–16 ноября 2011 г.) [7]. Однако он был изложен в самом общем виде без методологии определения линейного тренда, связанного с формированием аттестационной шкалы перспективности.

3. Метод оценки перспективности сложных технических систем на основе ретроспективного анализа

Метод оценки перспективности СТС, основанный на ретроспективном анализе динамики ее развития по критерию технического уровня с использованием экспертных оценок заключается в выполнении следующих процедур.

1. Выбор критерия технического уровня (коэффициента ТУ) К_ТУ СТС.

2. Определение типажа (числа) образцов новой техники (оцениваемой СТС) и года их создания.

3. Определение периода ретроспективного анализа.

4. Определение К_ТУ различных типов образцов новой техники (оцениваемой СТС) за ретроспективный период.

5. Определение динамики развития объекта новой техники (линейного тренда), т.е. зависимости К_ТУ как функции времени (момента создания).

6. Разработка аттестационной шкалы перспективности.

7. Определение прироста К_ТУ исследуемого образца новой техники (создаваемой СТС).

8. Сравнение прироста К_ТУ исследуемого образца новой техники (создаваемой СТС) с уровнями аттестационной шкалы перспективности.

9. Принятие решения по исследуемому образцу новой техники (создаваемой СТС) или выбранному техническому решению.

Как было уже отмечено, широкое внедрение новых технологий характеризуется линейным участком развития ее эффективности, в связи с чем, при построении графика динамики развития (линейного тренда) исследуемого объекта техники целесообразно использовать метод наименьших квадратов (МНК).

Согласно МНК для построения линейного тренда

(6)

по полученным данным о коэффициенте ТУ

(7)

необходимо найти МНК–оценки двух параметров линейного тренда

Для этого введем матрицу А и два вектора где элементы матрицы А задаются равенством

(8)

Тогда МНК – оценка параметров линейного тренда (7) дается равенством:

(9)

Матрица имеет вид:

(10)

Поэтому матрица имеет вид:

(11)

где

(12)

В расписанном виде равенство (9) принимает, тем самым, вид:

	(13)
	(14)

Прирост коэффициента ТУ определяется по формуле (14)

(15)

где t₁ – момент времени создания предыдущего образца техники,

t₂ = t₁ + T_рп– момент времени создания нового образца техники,

T_рп – ретроспективный период.

4. Шкала оценки перспективности новой техники

О перспективности образца новой техники на любой стадии жизненного цикла можно судить по шкале перспективности. Для разработки шкалы перспективности разработок в качестве объекта новой техники была выбрана УАБ (КАБ), которая воплощает все современные технологии – от достижений в области аэродинамики, материаловедения, элементов энергопитания, физики взрыва, микро– и радиоэлектроники и др. до информационных (компьютерных и спутниковых). На основе расчетных значений К_ТУ была определена динамика развития зарубежных УАБ калибра 300, 500 и 1000 кг (рис. 2, 3) и выбрана аттестационная шкала (табл. 1).

Логично предположить, что в США и других зарубежных странах новая разработка УАБ одного и того же типа и калибра принимается на вооружение, если ее ТУ выше предыдущих, т.е. она перспективна. Представляет в этой связи, определить, какой прирост К_ТУ этому соответствует.

Расчёты показывают, что по всем калибрам на вооружение принимались перспективные УАБ с приростом К_ТУ относительно базовых образцов D К_ТУ » 0,135. Разработки с меньшими приростом D К_ТУ, вероятно, считались малоперспективными и на вооружение не принимались. Разработки новых УАБ с К_ТУ = 1,0 при сравнении с существующими образцами признавались неперспективными, а при D К_ТУ = 0,27 – весьма перспективными.

Таблица 1

Оценка прироста коэффициента технического уровня для УАБ различных калибров

УАБ	Коэффициент технического уровня КТУ
	Нм	Hср	DКТУ 2-1	DКТУ 3-2
Калибр 300 кг:	1,0 1,1 1,29	1,0 1,13 1,28	0,1…0,13	0,19…0,15
GBU-12 B
GBU-12 E/B
GBU-22
Калибр 500 кг:	1,0 1,16 1,3	1,0 1,15 1,3	0,16…0,15	0,14…0,15
M 117 LGB
GBU-16 C/B
GBU-23
Калибр 1000 кг:	1,0 1,10 1,24	1,0 1,10 1,24	0,1…0,1	0,14…0,14
GBU-10B
GBU-10 E/B
GBU-24
В среднем…			0,135	DКТУ 3-1 = 0,270

Таким образом, аттестационная шкала перспективности для оценки перспективности УАБ, а также для других объектов высокотехнологичной продукции может быть представлена таким образом, как показано в табл. 2. Приведенные градации прироста К_ТУ выражены в четырех семантических оценках как это принято в инженерном прогнозировании [8]..

Таблица 2

Аттестационная шкала перспективности новой техники

Пределы изменения КТУ	Степень перспективности
0,05–,065	Неперспективная УАБ
0,07–0,13	Малоперспективная УАБ
0,135–0,265	Перспективная УАБ
0,27 и выше	Весьма перспективная УАБ

Выводы

1. Метод оценки перспективности сложных технических систем на основе ретроспективного анализа даёт возможность оценить степень перспективности новых разработок на различных стадиях жизненного цикла.

2. При построении линии тренда коэффициента технического уровня использован метод наименьших квадратов.

Литература

1. Семенов С.С. Оценка качества и технического уровня сложных систем: Практика применения метода экспертных оценок. – М.: ЛЕНАНД, 2015. – 352 с.

2. Гайкович А.И. Основы теории проектирования сложных технических систем. – СПб.: НИЦ "МОРИНТЕХ", 2001. – 432 с.

3. Проскуряков А.В, Организация создания и освоения новой техники. – М.: Машиностроение, 1975. – 224 с.

4. Kingsland S.E. Modeling nature. Chicago: University of Chicago, 1995. – 315 p.

5. Проблемы создания корректируемых и управляемых авиационных бомб / Сост. С.С. Семенов, В.Н. Харчев; Под ред. Е.С. Шахиджанова. – М.: Инженер, 2003. – 528 с.

6. Семенов С.С., Харчев В.Н., Иоффин А.И. Оценка технического уровня образцов вооружения и военной техники. – М.: Радио и связь, 2004. – 552 с.

7. Семенов С.С. Метод оценки перспективности сложных технических cистем //Теория активных систем. – 2011. Труды международной научно-практической конференции (14-16 ноября 2011 г., г. Москва). Том 1. – М.: ИПУ РАН, 2011. – 225 с. – С. 181-191.

8. Гмошинский В. Г., Флиорент Г. И. Теоретические основы инженерного прогнозирования. — М.: Наука, 1973. — 304 с.