Раздел 3. Прогнозирование развития уровня техники

3.1 Инженерное прогнозирование конструкции машин. Краткосрочное среднесрочное и перспективное прогнозирование.

Развитие всех отраслей народного хозяйства во многом зависит от технического уровня используемых машин. Каждая внедряемая в эксплуатацию машина должна превосходить по своим качествам и технико – экономическим характеристикам лучшие мировые образцы и ранее используемые в народном хозяйстве аналогичного класса машины.

Обеспечение машинами народного хозяйства требует выполнения большого объема проектных, научных и технических разработок в области подготовки и освоения производства.

В процессе создания новой машины входит:

1) прогнозирование

2) проектирование

3) подготовка производства

4) освоение производства

Рассмотрим содержание первого пункта этих направлений.

Прогнозирование в области создания новых конструкций машин приобретает все большую значимость научных и технических направлений. Значение прогнозирования повышается тогда, когда имеет место относительно частое изменение требований, предъявляемых конструкций.

Обоснование и анализ необходимости создания машины проводятся на основании методов научного прогнозирования технических проблем.

Научное прогнозирование нельзя отождествлять с предсказанием. Предсказание -это абсолютное утверждение о будущем, основанное на логических рассуждениях о возможном. В отличие от нее научное прогнозирование является вероятностным суждением о будущем с высоким уровнем достоверности и основано на объективной оценки возможного.

Первоначально научное прогнозирование относили к области научной фантастики. Применительно к техническим проблемам научное прогнозирование стало получать свое признание лишь в середине 20 века благодаря практическому подтверждению сделанных прогнозов.

Так в 1936 году была проведена оценка прогнозов, сделанных в 1920 году на 75 лет вперед. При этом выяснилось, что сделанные прогнозы в части научно-технических достижений и изобретений к этому времени оправдались 38%, почти наверняка оправдаются на 29%, неопределенно на 22%, оказались неверными 3%. Было установлено, что ошибки, допущенные в прогнозировании, является результатом скорее неспособности предвидеть полезность сделанных изобретений и научно-технических достижений, чем неспособности распознать их техническую осуществимость.

Примерно в это же время и несколько позднее оценивались и другие прогнозы. Высокий процент их достоверности показал возможность и целесообразность решения с научного прогнозирования многих проблем и, в частности, проблемы создания машин.

Одним из основных положений научного прогнозирования является то, что утверждение о вероятности свершения событий делают на основании анализа событий, которые уже свершились. В условиях огромных потоков информации, имеющий как специальное, так и общетехническое направление, оказываются недостойными личный опыт инженера и традиционные методы предвидения развития конструкций в будущем. В связи с необходимостью научного обоснованного предвидения развития техники, технологии получения новых материалов и т.п. в настоящее время интенсивно развивается инженерное прогнозирование.

Под инженерным прогнозированием понимают научно-обоснованную информацию, отражающую в виде вероятностной категории потенциальные возможности развития техники.

Вопросы экономики входят в содержание прогнозирования как составная часть. В тоже время техническое прогнозирование создает базу для экономических прогнозов.

Эффективность инженерного прогнозирования весьма значительно и расходы на его выполнение вполне окупаются. Сложность разработки методов инженерного прогнозирования объясняется тем, что во-первых, недостаточен объем исходной информации и зачастую отсутствуют количественные данные, по которым можно оценить возможные варианты конструктивных решений; во-вторых, необходимости учета большого числа параметров и связей между ними даже в относительно простом проекте затрудняет его оценку, так как невозможно или весьма трудно дать обобщенную оценку конструкции по разным критериям. Все это указывает на необходимость соответствующей подготовки информации.

Основу инженерного прогнозирования составляют три направления определяющий значимость новых открытий и изобретений, цель и техническую стратегию, перспективный уровень развития конструкций машин. Первые два направления используют в основном для среднесрочного и долгосрочного прогнозирования (20-30 лет), а последнее направление преимущественно ля краткосрочного прогнозирования (5-10 лет)

3.2 Методы инженерного прогнозирования. недостатки прогнозирования.

оценка прогнозирования новой техники.

Разнообразие решаемых задач в области прогнозирования привело к разработке большого числа методов. В настоящее время известно более 300 методов в составление прогнозов. Наиболее широко в технике используют следующие прогнозирования.

1. Метод экстраполяции, который основывается на переносе динамики событий и состояний, имевших место в недалеком прошлом, на будущее. Широкое применение этот метод находит при краткосрочном прогнозировании, преимущественно в областях техники, где не предвидятся существенные качественные изменения в ее развитии. Областью этого метода прогнозирования является в основном события, развивающиеся эволюционным путем и достаточно медленно во времени.

Метод экстраполяции можно решать задачи двух типов:

1) статистические в которых анализируют связи между главным признаком и другими параметрами без учета фактора времени

2) динамические, в которых непременной составляющей уравнения является фактор времени

2. Метод экспертных оценок заключается в том, что группе специалистов-экспертов ставят рад вопросов, касающихся развития данного технического направления или прогнозируемого объекта. Затем математической обработкой результата опроса экспертов устанавливают преобладающие мнение. Сложным при использовании этого метода, который носит субъективный характер, является выбор групп экспертов, установление принципов проведения опроса, оценка точности результатов и др.

этот метод целесообразно использовать в случае отсутствия достаточно систематизированной информации о прошлом или в случае когда научно-техническое развитие в большой степени зависит от принимаемых решений, чем от самих технических возможностей.

3. Метод моделирования характеризуется тем, что анализ исходных данных ведут не на исследуемых объектах, а на их моделях, выполненных в соответсвии с требованиями теории подобия. Этот метод базируется на целесообразном абстрагировании процессов развития событий в будущем. Наиболее общим и вместе с тем достаточно строгим направлением является метод математического моделирования.

Прогнозы обычно разрабатывают на период в течении которого принимаемое решение будет иметь действие.

Специальными исследованиями установлено, что в наше время обновление существующих видов машин происходит через 5-7 лет, а теоретические основы создания машин и тенденции развития принципов действия этих машин сохраняются в течение 10-15 лет. Поэтому при обосновании необходимости создания машин оптимальным сроком прогноза является период в среднем до 15 лет. Достоверность прогнозов, сделанных на более длительный срок, заметно снижается.

На рисунке.3 дана схема процесса прогнозирования, на которой указаны этапы прогнозирования и связи между ними

ЦЕЛЬ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

1

ОБЪЕКТ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

2 3

4

ПЕРИОД УПРЕЖДЕНИЯ ТОЧНОСТЬ ПРОГНОЗА

8 7

5 6

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ МЕТОД ОБРАБОТКИ И.Д.

9

10 11

РАСЧЕТ

РЕЗУЛЬТАТ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

ВАРИАНТ ПРОГНОЗА П1 П2 Пi

Рисунок 3 - схема процесса прогнозирования

Исходным положением при прогнозирования является цель прогнозирования.
В зависимости от нее принимают и объект прогнозирования (связь 1). Период упреждения и точность прогнозирования устанавливают в зависимости от цели и объекта прогнозирования (связи 2 и 3). Период упреждения (период, в который ведут прогнозирования) зависит от требуемой точности прогнозирования: чем больше период упреждения, те меньше точность прогнозирования; при необходимости повысить точность прогнозирования уменьшается период упреждения (взаимосвязь 4).

В зависимости от периода упреждения устанавливают необходимый объем и содержание исходных данных об объекте прогнозирования: чем больше период упреждения, тем полнее должны быть исходные данные; при малом объеме исходных данных период упреждения уменьшается (взаимосвязь 5).

Выбираемый метод обработки исходных данных зависти от требуемой точности прогнозирования: чем выше точность прогнозирования, тем точнее должен быть метод обработки исходных данных при снижении точности прогнозирования принимают менее точный метод обработки исходных данных (взаимосвязь 6). Для обеспечения требуемой точности прогнозирования необходимо располагать соответствующим объемом и содержанием исходных данных об объекте прогнозирования. По мере повышения точности прогнозирования объем и содержание исходных данных должны быть более полными (взаимосвязь 7).

Выбор метода обработки исходных данных об объекте прогнозирования зависит от принимаемого периода упреждения, тем точнее должен быть метод обработки исходных данных (взаимосвязь 8).

Наличие объема и содержания исходных данных определяет выбор метода их обработки: чем полнее исходные данные, тем точнее может быть метод их обработки. В то же время определенный метод требует соответствующего объема исходных данных (взаимосвязь 9).

Определив объем и содержание исходных данных о прогнозируемом объекте и приняв соответствующий метод обработки исходных данных, можно выполнить необходимые расчеты (связь 10,11). Произведенные расчеты должны дать возможность получить требуемый результат прогнозирования (связь 12), на основании которого могут быть разработаны допустимые варианты прогноза. Не исключается, что полученный результат прогнозирования не будет полностью отвечать поставленной цели. В этом случае необходимо учитывать отдельные этапы прогнозирования используя обратные связи.

Процесс прогнозирования, исходя из требований по точности может быть разделен на следующие три части:

1) детермированную, поддающуюся точному расчету

2) вероятностную, позволяющий устанавливать предполагаемую закономерность протекания процесса

3) «чисто» случайную, которая не поддается расчету

Прогнозирование конструкции машин включает рассмотрение следующих основных положений:

1. Функциональное значение

2. Основные технические и экономические параметры

3. Возможные компоновочные схемы

4. Новые материалы и виды заготовок

5. Новые технологические процессы, оборудование и технологическая оснастка

6. Новые формы и методы организации и методы производством

7. Потребность и предполагаемый план изготовления машин

8. Строительство нового или реконструкция действующего предприятия

9. Народнохозяйственная эффективность от создания новой конструкции машины

Прогнозировать можно и отдельные параметры машины, например массы. В ряде конструкций особое значение приобретает необходимость ограничение массы на ранних стадиях проектирования. Для этого анализируют аналогичные конструкции и устанавливают математическую зависимость массы от основных параметров машины. При этом следует учесть влияние на массу повышение конструктивной сложности отдельных сборочных единиц, а также коэффициента прогрессивного снижения массы конструкции совершенствованием методов расчета и конструирования применением прогрессивных материалов, заготовок и т.д.

Совершенные методы прогнозирования имеют следующие недостатки:

1) Недостаток воображения («чутья»), не позволяющий определить будущую полезность открытий, изобретений, исследований и разработок, что приводит к крайней пессимистичности прогнозов.

2) Переоценка возможностей, основанная на уверенности, что все теоретические возможное будет осуществлено на практике. Это приводит к крайней оптимистичности прогнозов.

3) Неспособность улавливать и учитывать изменения в конкурирующих системах

4) Чрезмерное опора экспертам

5) Неточность технических расчетов на которых базируются прогнозы

6) Невозможность предвидеть все будущее открытия

Несмотря на эти недостатки, в пределах практических потребностей используемые методы позволяют правильно с перспективой решать многие технические проблемы.

Раздел 4 Технические объекты, закономерности их развития

4.1 Понятие технических объектов и технологий

Результатами ИТ чаще всего являются новые, более совершенные и эффективные технические объекты и технологии или, выражаясь языком патентоведов, новые устройства и способы.

Техническим объектом (ТО) будем называть созданное человеком или автоматом реально существующее (суще­ствовавшее) устройство, предназначенное для удовлетво­рения определенной потребности. К ТО можно отнести отдельные машины, аппараты, приборы, ручные орудия труда, одежду, здания, сооружения и т. п. устройства, выполняющие определенную функцию (операцию) по пре­образованию объектов живой и неживой природы, энер­гии или информационных сигналов. К ТО будем также относить любой из элементов (агрегат, блок, узел, деталь), из которых состоят машины, аппараты, приборы и т. д., а также любой из комплексов взаимосвязанных машин, аппаратов, приборов. Это может быть технологическая линия, цех, завод и т. п.

Как видно из определения, ТО представляет собой весьма широкое понятие. Так, например, к ТО можно отнести самолет и кофемолку, мачту ЛЭП и лопату, ЭВМ и туфли, завод и выпускаемые им болты и гайки.

Как синоним понятия «технический объект» в литера­туре часто используют еще понятие «техническая си­стема».

Существует иерархическое соподчинение ТО различ­ных уровней. Так, например, машины или станки, являющиеся элементами технологической линии или цеха, мо­гут быть разделены на агрегаты или блоки, которые, в свою очередь, состоят из узлов и деталей. В связи с этим введем понятие надсистемы, которое используется в ряде методов ИТ. Почти у любого ТО существует надсистема, т. е. другой ТО, в который он функционально включается или входит как отдельный элемент.

Обработка вещества, энергии или сигналов представ­ляет собой выполнение с помощью ТО некоторой четко определенной последовательности операций. В связи с этим технологией будем называть способ, метод или программу преобразования вещества, энергии или ин­формационных сигналов из заданного начального со­стояния в заданное конечное состояние с помощью опре­деленных ТО.

Разнообразие технологий так же велико, как и разно­образие ТО, и благодаря ИТ продолжает быстро возра­стать. Существуют технология добычи угля открытым способом, различные технологии изготовления болтов и гаек, технологии изготовления блинов или тортов и т. д. В книге рассмотрена понятийная основа и методы решения творческих задач, относящиеся в первую очередь к ТО. Наряду с этим приводимые методологические разработки по совершенствованию устройств подходят также для рассмотрения и совершенствования технологий. Тем более, что описание ТО отражает не только его струк­туру, но и функционирование, т. е. содержит более или менее подробное описание технологии, реализуемой с по­мощью этого ТО.

4.2 Законы и закономерности развития техники.

Строение и развитие каждого ТО и техники в целом подчиняются опреде­ленным законам и закономерностям, которые указывают на устойчивые качест­венные и количественные причинно-следственные связи и отношения, имеющие место у класса ТО и техники в целом, а также на изменение во времени этих свя­зей и отношений. Законы и закономерности по характеру и определенности опи­сания объектов и явлений техники должны быть близки к законам и законо­мерностям, известным в биологии, физике и химии, т. е. законы техники должны формулироваться на уровне законов природы.

Закономерности строения и развития техники имеют отношения к ТО с одинаковой или близкими функциями. Законы техники имеют отношение к лю­бому ТО или ко многим классам ТО, имеющим различные (сильно отличающиеся) функции.

К законам и закономерностям развития техники будем относить опреде­ленные устойчивые изменения какого-либо критерия развития (показателя качест­ва) или какого-либо количественно выражаемого конструктивного признака на протяжении многих поколений ТО. Кроме того, должны иметь место законы раз­вития, которые для многих классов ТО с различными функциями отражают оди­наковые (аналогичные) изменения в конструктивной и потоковой ФС, в физиче­ской структуре и ТР.

Законы гомологических рядов, стадийного развития техники, неравномерного развития техники.

Закон гомологических рядов. Гипотеза об этом законе сформулирована по аналогии с законом гомологических рядов Вавилова, относящемся к живой при­роде. Суть биологического закона заключается в том, что у близких видов, при­надлежащих одному роду, имеет место удивительный' параллелизм "одинаковых признаков, Р.И. Вавилов дал следующую формулировку закона: «Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной измен­чивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, мож­но предвидеть нахождение параллельных форм и других видов и родов. Чем бли­же генетически расположены в общей системе роды и виды, тем полнее сходство в рядах их изменчивости. Целые семейства..... характеризуются определенным циклом изменчивости, проходящей через все роды и виды, составляющие семей­ство». Ученые отмечают, что закон Вавилова играет в биологии ту же роль, что и закон Менделеева в химии. При этом поиски новых форм, видов, родов на осно­ве закона гомологических рядов становятся направленными, поскольку можно за­ранее предсказать строение еще не открытых или выведенных селекционерами видов и родов.

Для перенесения закона гомологических рядов в технику необходимо было опре­делить факторы, которые играют роль генотипа, т. е, как генотип в живой природе определяет видовые, родовые и другие признаки, так и в технике необходимо вы­делить факторы, обусловливающие характерные признаки ТО. К таким факторам относятся компоненты описания функции, принципа действия иусловий работ ТО, каждая из которых оказывает существенное влияние на техническое решение (структуру) ТО.

Гипотеза о законе гомологических рядов ТО имеет следующую формулировку: ТО с близкими функциями, принципами действия и характеристиками условий работы имеют частично совпадающие наборы варьируемых конструктивных при­знаков P1..., РК, принимающих одинаковые значения а¹], а/₂,..., с1_т, ]= 1,..., k:.

Число совпадающих наборов признаков k будет тем больше, чем больше совпадающих компонент описания функций, принципов действия и условий рабо­ты. При этом имеют место корреляционные связи между определенными компо­нентами и признаками.

Закон стадийного развития техники. Этот закон отражает революционные изменения, происходящие в процессе развития как отдельных классов ТО, так и техники в целом. Революционные изме­нения связаны с передачей техническим средствам широко распространенных функций, выполняемых человеком. На существование и действие рассматривае­мого закона указывали в своих трудах К. Маркс и В. И. Ленин. Обстоятельное рассмотрение факторов, относящихся к закону стадийного развития, и его обосно­вание на философском уровне изложены в книгах Ю. С. Мелещенко, С. С. Товмасяна. Закон стадийного развития в основном имеет отношение к задачам инженер­ного творчества, связанным с крупными пионерными изобретениями. Гипотеза о законе имеет на инженерном уровне следующую формулировку.

ТО с функцией обработки материального предмета труда имеют четыре ста­дии развития, связанные с последовательной реализацией с помощью техниче­ских средств четырех фундаментальных функций и последовательным исклю­чением из технологического процесса соответствующих функций, выполняе­мых человеком:

на первой стадии ТО реализует только функцию обработки предмета труда (технологическая функция);

на второй стадии, наряду с технологической, ТО реализует еще функцию обеспечения энергией процесса обработки предмета труда (энергетическая функция);

на третьей стадии ТО реализует еще функцию управления процессом обра­ботки предмета труда;

на четвертой стадии ТО реализует также и функцию планирования для себя объема и качества продукции, получаемой в результате обработки предмета

труда; при этом человек полностью исключается из технологического процесса, кроме более высоких уровней планирования.

Переход к каждой очередной стадии происходит при исчерпании природных возможностей человека в улучшении показателей выполнения соответствующей фундаментальной функции в направлении дальнейшего повышения производи­тельности труда и (или) качества производимой продукции, а также при наличии необходимого научно-технического уровня и социально-экономической целесооб­разности.

В таблице 1 приведены примеры стадийного развития различных ТО, которые дополняют формулировку закона. Отметим, что рассматриваемый закон имеет оп­ределенную связь с закономерностью функционального строения обра­батывающих машин.

Закон стадийного развития отражает также развитие мировой техники в це­лом, что наглядно показано в таблице 2, где обозначение «ТО» указывает на реали­зацию соответствующей фундаментальной функции техническими средствами.

Следует отметить, что предписываемая законом картина последовательного четырехстадийного развития ТО имеет место только для классов ТО, появившихся до XVIII века. Уже в XIX веке, когда техника в целом находилась на второй ста­дии развития, вновь появившиеся ТО одновременно реализовали технологическую и энергетическую функции, поскольку для этого существовал необходимый науч­но-технический уровень и это следовало из требований, социально-экономической целесообразности. Аналогичную картину мы наблюдаем в настоящее время, когда вновь появляющиеся пионерные' ТО для реализации новых потребностей часто реализуют сразу три фундаментальные функции (технологическую, энергетиче­скую, управления). Поэтому знание закона позволяет ускорять стадийное развитие ТО.

Таблица 1 - Примеры стадийного развития ТО

Функция ТО	ТФ	ТФ + ЭФ	ТФ + ЭФ + ФУ	ТФ + ЭФ + ФУ+ ФП
Размалыва­ние зерна	Каменные жернова с руч­ным приводом	Каменные жерно­ва с приводом от водяного колеса или паровой ма­шины	Мельница с сис­темой автомати­ческого управ­ления (САУ)	Мельница с САУ, по­лучающая задание от автоматизированной системы планирова­ния работ (АСПР)
Получение осесиммет-рических круглых де­талей из твердотель­ных загото­вок	Токарный ста­нок с ручным или ножным приводом	Токарный станок с приводом от во­дяного колеса, паровой машины или электродвига­теля	Токарный ста­нок с числовым программным управлением (ЧПУ)	Станок с ЧПУ полу­чающий задание от АСПР
Транспорти­рование гру­зов по дороге	Тачка или те­лежка, приво­димая в движе­ние человеком	Телега, приводи­мая в движение тягловым живот­ным, или автомо­биль	Автомобиль с САУ	Автомобиль с САУ, Получающий задание от бортовой АСПР, осуществляющей предварительный сбор информации
Примечание. ТФ - Технологическая функция; ЭФ - энергетическая функция; ФУ - функция управления; ФП - функция планирования.

Таблица 2 - Стадии развития техники

Выполняемая функция	Начало стадии
Каменный век (первая стадия)	XVIII век (вторая стадия)	Середина XX века (третья стадия)	Конец XX века (четвертая стадия)
Технологическая	ТО	ТО	ТО	ТО
Энергетическая	Человек	»	»	»
Управление	»	Человек	»	»
Планирование	»	»	Человек	»

В связи с этим практическое использование закона стадийного развития свя­зано с проведением исследований по его привязке к интересующему классу ТО, а также к функционально близкому классу ТО, имеющих опережающие темпы раз­вития.

При выполнении этих исследований даются ответы на следующие вопросы:

На какой стадии развития находится рассматриваемый ТО или технологиче­ский комплекс?

Ограничивают ли возможности человека существеннее улучшение основ­ных показателей ТО?

Имеются ли необходимые научно-технические и технологические возмож­ности для перехода на следующую стадию?

Имеется ли социально-экономическая целесообразность перехода на сле­дующую стадию?

На основе такого анализа делается вывод о целесообразности перехода на следующую стадию и формируется соответствующее задание на научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки.