/
Author: Шейнбаум В.С.
Tags: инженерное дело техника в целом изобретательство и рационализация в области техники патентное дело инженерия учебное пособие инженерство технические науки
ISBN: 978-5-93126-106-5
Year: 2007
Text
111 di нбаум H.C.
Методология
инженерной
деятельности
в Л
£
j.
%, «Образование»
РГУ нефти и газа
I им. И. М. Губкина
V. S. Sheinbaum
METHODOLOGY
OF ENGINEERING
(Second Edition, amended and completed)
Recommended by the Curriculum planning
unit for oil and gas education as a textbook
for students under the area of concentration
“Equipment and Machines for Oil and Gas
Production “
Moscow
2007
B.C. ШЕЙНБАУМ
МЕТОДОЛОГИЯ
ИНЖЕНЕРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
(Издание второе, исправленное и дополненное)
Допущено Учебно-методическим
объединением вузов по нефтегазовому
образованию в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки
дипломированных специалистов 130600
«Оборудование и агрегаты нефтегазового
производства»
Москва
2007
ББК 30у.я73
УДК 62(075-8)
IU39
Рецензенты:
А.И. Владимиров,
Лауреат Государственной премии РФ и премии Правительства
РФ, академик РАЕН, профессор;
В.Ф. Взятышев,
академик РАЕН, профессор
Шеннбаум В.С. Методология инженерной деятельности. Учеб-
ное пособие. — Н.Новгород, 2007, — 360 с.
ISBN 978-5-93126-106-5
Аннотация
Книга, предполагаемая к использованию в качестве учебного
пособия, является одной из попыток систематического изложения
для студентов вузов содержания и методологии инженерной деятель-
ности, связанной с проектированием, производством, испытаниями, и
техническим обслуживанием машин и оборудования, и опирающейся
на современные информационные технологии.
Referees:
Vladimirov, A.I., Professor, Winner of the State Award of the Russian
Federation, Member of the Russian Academy of Natural Sciences
Vzvatyshev, V.F., Professor, Member of the Russian Academy of
Natural Sciences
Annotation
Being intended for use as a study material, this book is one of (he
attempts to introduce students to the content and methodology of engineering
related to the design, manufacturing, testing, and maintenance of machines
and equipment, and based ОД today’s information technology.
ISBN 978-5-93126-106-5
© Шсйпбаум B.C., 2007.
© РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина, 2007
© Голубев В.С. - оформление серии, 2007.
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ............................................... П
ВВЕДЕНИЕ. Инженерная деятельность и инженерная работа.... 21
ЧАСТЬ 1. СУЩНОСТЬ И ВИДЫ ИНЖЕНЕРНОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ.........................................25
ГЛАВА 1.1 Понятие и содержание инженерной деятельности. .. 25
§1.11 Предметная область инженерной деятельности....25
§ 1.1.2 Общая характеристика инженерной деятельности.35
§ 1 1.3 Критерии инжеиерносги......................54
§ 1.1.4 Цикл жизни ТО и типология инженерной
деятельности.....................................59
§ 1.1.5 Инженерная деятельность ц инженерное творчество... 69
ГЛАВА 1.2, Технология инженерной деятельности.............80
§ 1.2.1 Моделирование в инженерной работе. ....... 80
§ 1.2.2 Понятие модели...............................85
§ 1.2.3 Виды моделей.................................87
§ 1.2.4 Критерии оценки моделей.....................101
§ 1,2.5 Исходные процедуры моделирования............106
§ 1.2.6 Математические модели и ^тематическое
моделирование...................................111
ЧАСТЬ 2. ТИПОЛОГИЯ ИНЖЕНЕРНОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ...................................... 123
ГЛАВА 2.1 Проектирован не. ............................. 123
§2.1.1 Обобщенная модель проектирования.............123
§ 2.1.2 Проектные процедуры и операции............. 133
§ 2.1.3 Стадии н этапы проектирования...............139
§2.1.4 Концептуальное проектирование. Качество ТО.141
§2.1.5 Эволюция и закономерности развития грхрики.158
§ 2.1.6 Проектирование и маркетинг..................163
§ 2.1.7 Нормирование проектных решений..............167
§ 2 1.8 Моделирование при проектировании..........173
$ 2.1 9 Автоматтгзированное проектирование..........177
ГЛАВА 2.2 Изготовление машин и оборудования........................... 190
§ 2.2.1 Виды производств ТО..........................190
§ 2.2.2 Технологическая подготовка производствам ее
автоматизация.......................................197
§ 2.2.3 Автоматизированные гибкие производственные
системы.............................................205
ГЛАВА 2.3 Испытания .......................................210
§2.3.1 Виды испытаний...............................210
§ 2.3.2 Планирование испытаний..................... 217
§ 2.3.3 Измерения.................................. 226
§ 2.3.4 Автоматизированная обработка результатов
испытаний...........................................231
ГЛАВА 2.4 Эксплуатация машин и оборудования................235
§ 2.4.1 Управление технологическими процессами........... 235
§ 2.4.2 Техническая диагностика машин и оборудования.239
§ 2.4.3 Поиск дефектов и неисправностей..............251
§ 2.4.4 Техническое обслуживание и ремонт машин
и оборудования.......................................256
ГЛАВА 2.5 Сертификация машин, оборудования и технологий.. 262
§ 2.5.1 Цели и существо сертификации.................262
§ 2.5.2 Технология сертификации.................... 266
ГЛАВА 2.6 Организация и управление деятельностью...........270
§ 2.6.1 Понятие о проектном менеджменте..............270
§ 2.6.2 Участники проекта............................275
§ 2.6.3 Организация управления проектами.............277
§ 2.6.4 Планирование проекта.........................280
§ 2.6.5 Менеджмент персонала.........................283
ЧАСТЬ 3 ПРИНЯТИЕ ИНЖЕНЕРНЫХ РЕШЕНИЙ...................287
ГЛАВА 3.1 Проблема выбора и принятия решений........................ 287
§3.1.1 Существо проблемы.............................287
§ 3.1.2 Неопределенность, субъективизм и
многокритериальность в принятии решений..............295
$313 Риски при принятии решений......................303
ГЛАВА 3.2 Параметрическая оптимизация и структурный синтез
технических объектов......................................305
§3.2.1 Методы определения оптимальных параметров.306
§ 3.2.2 Математическое и алгоритмическое обеспечение
генерации вариантов решений в задачах структурного
синтеза.........................................312
§ 3.2.3 Метод эталонных моделей и имитационное
моделирование в структурном синтезе ТО............319
ГЛАВА 3.3 Эвристические методы в принятии инженерных
решении..............................................329
§ 3.3.1 Существо, роль и место эвристики в инженерной
деятельности.................................. 329
§ 3.3.2 Употребительные эвристические приемы и методы... 336
§ 3.3.3 Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ).344
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................351
ЛИТЕРАТУРА................................................352
-7-
Table of Content
page
PREFACE............M................................................H
INTRODUCTION Engineering and the work of an engineer...............17
PART 1. The essence of engineering........................25
Chapter l. i Concept and content of engineering...................25
1.1.1 The subject of engineering............................25
1.1.2 General characterization of engineering...............35
1.1.3 Criteria of what constitutes engineering..............54
1,1.4 Life cycle of a technical object and the types
of engineering activities................................... 59
1.1.5 Engineering and creativity............................69
Chapter 1. 2 Engineering technologies............................................... . 80
1.2.1 Modelbig as the basic engineering technology..........80
1.2.2 Concept of a model....................................85
1.2.3 Types of models.......................................87
1.2.4 Criteria for model evaluation,.......................101
1.2.5 Initial modeling procedure^ (abstracting, formalization,
and schematization)..................................106
1.2.6 Mathematical models and mathematical modeling........111
PART 2. Engineering typology.............................123
Chapter 2.1 Design................................................123
2.1.1 Generalized model of design..........................123
2.1.2 Design procedures and operations.....................133
2.1.3 Design steps and stages......................._......139
2.1.4 Conceptual design and the concept of quality........ 141
2.1.5 Technical equipment: evolution and regularities
of development.................................. 158
2.1.6 Design and marketing.................................163
2-1 7 Normalizing design solutions.........................167
u
2.1.8 Design modeling...................................173
2.1.9 Automated design..................................177
( hapter 2.2 Manufacturing of machines and equipment..........190
2.2.1 Types of manufacturing of machines and equipment..190
2.2.2 Technological preparation for manufacturing (TPM).197
2.2.3 Modeling during TPM...............................205
2.2-4 Engineering under automated manufacturing............
Chapter 2. 3 Testing...................................... 210
2.3.1 Types of testing machines and equipment......,...210
2.3.2 Planning of testing..............................217
2.3.3 Measurement......................................226
2.3.4 Automated processing of testing results..........231
Chapter 2. 4 Operation of machines and equipment ............235
2.4.1 Managing technological processes.................235
2.4.2 Diagnostic checks and diagnostic models..........239
2.4.3 Searching for defects and malfunctions. Diagnostic
expert systems....................................251
2.4.4 Maintenance, repair, and disposal................256
Chapter 2. 5 Certification of machines, equipment,
and technologies. Expert assessment..........................262
2.5.1 Certification: definition and objectives.........262
2-5-2 Certification technology....................... 266
Chapter 2. 6 Organization and management....................270
2.6.1 Project management concept..................... 270
2.6.2 Project Participans..............................275
2.6.3 Project management Organisation..................277
2.6.4 Project Planning.................................280
2.6.5 Human Resource Management........................283
PART 3. Engineering decision-making....................287
Chapter 3. 1 The problem of choice and decision-making.......287
3.1.1 The essence of the problem.......................287
-9-
3.1.2 Uncertainty, subjectivity, and multiple criteria
in the problem of choice apd decision-making.................295
3.1.3 Risks in decision-making............................... 303
Chapter 3. 2 Parametric optimization and structural synthesis
of technical objects. Computerized support
of managerial decisions..................................................... 305
3.2.1 Parameter optimization for machines and mechanisms ...306
3.2.2 Mathematical and algorithmic support for solution
generation in the problems of structural synthesis.....312
3 3.3 Benchmark modeling and mutational modeling
m structural synthesis.................................319
Chapter 3. 3 Heuristics in engineering decision-making...........329
3.3.1 Heuristics in engineering: the essence, role, and place....329
3.3.2 Applicable heuristic methods and approaches
to engineering decision-making................................336
3.3.3 Theory of creative problem solving (TCPS)..............3-44
CONCLUSION ................................................... 351
BIBLIOGRAPHY........................................................352
10-
ПРЕДИСЛОВИЕ
В 1988 году, почти 20 лег назад, студентам факультета инженер-
ной механики РГУ нефти и газа им, И.М. Губкина автор начал читать
курсы «Методология НИОКР» и «Компьютерные технологии инже-
нерной деятельности». Вначале это были факультативы. Затем они
стали преподаваться как обязательные в рамках УНИРСа (учебная
научно-исследовательская работа студентов), а впоследствии были
включены в блок специальных дисциплин учебных планов специаль-
ностей «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов»,
«Оборудование нефтегазоперсработки», «Морские нефтегазовые
сооружения» и «Оборудование и технология повышения износостой-
кости и восстановления деталей машин и аппаратов».
Курсы дополняли друг от друга, и при переходе на обучение но
Государственным образовательным стандартам второго поколения в
учебный план специальностей факультета инженерной механикам
Губкинского университета была включена дисциплина «Методология
инженерной деятельности», объединяющая оба курса.
Неизменный интерес студентов-механиков к дисциплине, под-
держка коллег из разных вузов и, в первую очередь, постоянных
участников семинара по проблемам инженерного проектирования и
социальным технологиям,руководимого проф. В.Ф. Взятышевым, ук-
репили уверенность автора в ее полезности и необходимости издания
соответствующего учебного пособия.
Студенты, изучившие в вузе порядка 40 предметов со сдачей
зачетов и экзаменов, выполнившие до 10 курсовых проектов побы-
вавшие на различных по назначению и продолжительности практиках,
нуждаются, как оказалось, в рефлексивном осмыслении полученных
знаний и приобретенных навыков.
Всякий раз, встречаясь в аудитории с очередным потоком студен-
тов, автор убеждается, что за год до защиты дипломного проекта они
в подавляющем большинстве весьма смутно представляют себе, в чем
состоит существо инженерной деятельности, затрудняются ответить,
какая работа но своему содержанию может быть квалифицирована как
инженерная, а какая - нет. Самостоя гельно, без помощи преподавателя
и соответствующей учебно-методической литературы сделать эго у
них не получается.
Что для успеха на инженерном поприще необходимо иметь глубо-
кие знания в предметной области -эту истину студенты, как правило,
усваивают неплохо. Но что недостаточно, это им не очевидно. И дан-
ное учебное пособие должно, по замыслу автора, помочь и студентам
-11-
и молодым специалистам, начинающим свою трудовую деятельность,
в осмыслении данного обстоятельства, в уяснении, что же еще от них
требуется для того, чтобы их будущая работа оказалась продуктивной
и несла им чувство удовлетворения,
С самого начала автор предупреждает студентов, что его курс
меньше всего нацелен на то, чтобы дать им некие новые звания. Задача
в другом - преобразовать данные им в вузе разнообразные знания в
понимание. В понимание сути инженерной деятельности, значимости
и роли этих знаний в каждой из возможных ипостясей их будущей
инженерной работы.
В 2001 году при активной поддержке ректора университета
профессора А.И. Владимирова такое учебное пособие было издано.
Прошло 6 лет. Курс в эти годы развивался, поскольку развивается ме-
тодология инженерной деятельности. Автор все время подпитывался
новыми идеями, в том числе содержавшимися в многочисленных
публикациях по теме. Потребность дополнить учебное пособие этими
идеями, обновить примеры гак, чтобы они в большей мерс отражали
современную проблематику инжиниринга, внести ряд исправлений,
касающихся, прежде всего, информационных технологий, применя-
емых в данной сфере, а также обнаруженных в книге противоречий,
стала нестерпимо острой. Откладывать переиздание книги с указан-
ными добавлениями и исправлениями далее было уже невозможно
Первоначальный замысел учебного пособия состоял в том, чтобы
издать его в трех частях: первая — существо и основные виды инже-
нерной деятельности (она-то и вышла в 200) году), вторая - компью-
терная поддержка инженерной деятельности, третья—эвристические
приемы, методы активизации инженерного творчества. На это раз все
указанные части решено было объединить в одной книге.
В предисловии к первому изданию говорилось, что курсы, более
или менее близкие по содержанию, читались и читаются в Московском
энергетическом институте (техническом университете), Волгоград-
ском техническом университете, Новосибирском государственном
техническом университете, Московском государственном универси-
тете путей сообщения, Нижегородском государственном техническом
университете, Киевском техническом университете и ряде других
отечсствешгых и зарубежных вузов. При этом отмечалось, что они в
высшей школе воспринимаются по большей части как экзотика, и пи
в одном из Государственных образовательных стандартов подготовки
инженеров не упоминаются.
За прошедшее время ситуация изменилась. К вышеназванным
вузам добавились Казадскщг государственный технологический
-12-
университет, Братский и Томский государственные технические уни-
верситеты. В ряде вузов, в частности в Казанском технологическом
университете появились кафедры методологии инженерной деятель-
ности. Это, думается, служит красноречивым свидетельством того,
что преподавание соответствующего предмета в техническом вузе
— насущная необходимость.
Вместе с тем, к адресованным студентам и молодым специа-
листам книгам и учебным пособиям по методологии инженерной
деятельности, которые были упомянуты в предисловии к первому
изданию (А.И. Половинкин «Основы инженерного творчества», М..
Машиностроение, 1988, А.В. Чус и В. А. Данченко «Основы техничес-
кого творчества Учебное пособие. Киев-Донец. Вища школа. 1983.,
Б.С. Воинов «Принципы поискового проектирования». Уч. пособие,
изд.-с Нижегородского го с.техн, университета 1982, «Теория и прак-
тика решения изобретательских задач» - Г.С. Альтшуллера, Кишинев
1989 г., «Рождение изобретений» А И. Гасанова и др. Москва 1995 г.,
«Наука и искусство проектирования» - П. Хилла. М. 1973 г., «Мето-
ды проектирования» Дж. Джонса, М. Мир, 1986), за последние годы
добавилось лишь несколько новых книг.
Это второе издание замечательного курса лекций академика
Б.В. Литвинова «Основы инженерной деятельности» (л. 59), на кото-
рый автор далее будет неоднократно ссылаться, монография А. Беляева
и В. Лифшица «Технологическое образование на пороге XXI века.
Education Gap» (л. 13). Отдельно необходимо отметить книгу про-
фессора А.М. Новикова «Методология образования» (л. 68). Автору
оч₽нь близок его подход к изложению предмета.
Понятно, что побудительные мотивы переиздания книги в силу
всего сказанного только усилились. Тем более, что, в концептуальном
плане читаемый в Губкинском университете курс все-таки имеет
ряд существешгых отличий от читаемых уважаемыми коллегами из
других вузов
Автор исходит, в частности, из того, что инженерная работа не сво-
дится к совершенствованию и конструированию новых механизмов,
машин и оборудования. Соответственно, проблематикой инженерного
творчества при поиске новых конструкторских решений, изложением
ТРИЗ (теории решения изобретательских задач) Г.С. Альтшулера,
далеко нс исчерпывается содержание его курса. Инженеры еще ведь
занимаются и программированием, и диагностикой, и управлением
технологическими процессами, и ремонтом, и многим другим. Как
справедливо отмечается в (л. 11), инженерия вообще перестает рас-
сматриваться только в связи материальными и техническими объекта-
-13-
ми, но начинает выступать как особый вид человеческой деятельности
и человеческой культуры.
Поэтому с учебными курсами, главным предметом которых
является методология творчества инженеров-конструкторов, он со-
прикасается, даже совпадает, но лишь частично
У нас много говорят о целостности инженерного образования. Д а,
целостное гь, как и полнота, являются важнейшими характеристика-
ми (свойствами, атрибутами) всего того, что обозначается понятием
система.
К сожалению, оберегаемый Государственными образовательны-
ми стандартами традиционный предметный принцип формирования
инженерного образования, ограничивающий включение в учебные
планы междисциплинарных курсов и ориентацию инженерной под-
готовки на деятельность, является одной из причин фрагментарности
подготовки, получаемой выпускниками технических вузов.
Пестрая мозаика приобретенных знаний автоматически не
преобразуется в системное инженерное образование. Тем, что
знаниеаая компонента в содержании учебного процесса в инже-
нерных вузах сегодня существенно превалирует над деятельнос-
тной, это усугубляется. Именно сегодня, поскольку прежде связи
технических отраслевых вузов с предприятиями были прочнее - и
те и другие управлялись государством. А оно обеспечивало и кон-
тролировало эти связи, и студенты во время хорошо продуманных
по содержанию производственных практик имели возможность
наблюдать реальную, каждодневную инженерную деятельность,
участвовать в ней в качестве обучающихся, и, в той или иной сте-
пени, осваивать ее.
«В современные системы обучения и подготовки инженеров»,
- говорится в (д. 47), - «вошла компонента научных и технических
знаний. Понимающая же компонента инженерной мыследеятельности
«выпала» из содержания массового инженерного образования, по-
скольку ее результаты нс были отфиксированы в виде знаний. Этот
факт обусловил, отчасти, узость мышления многих современных
инженеров, игнорирование любых знаний о деятельности как гума-
нитарных (а. следовательно, непрофессиональных)».
О значимости в подготовке специалистов изучения методологии
деятельности пишет А.Д Савельева в статье «Проблемы инновацио н-
ного высшего образования» (л. 86) «Общепрофессиональныс знания
(профессиональные технологии)»,—говорится в статье о знаниях, ка-
сающихся профессиональных технологий деятельное ги, - ключевы е,
признаковые знания, которые отделяют одну профессию рт другргр
14-
профессию инженера от профессии педагога, юриста, экономиста и
т.д.». Лаконично выраженная А.Д. Савельевым точка зрения о мето-
дологическом этапе инновационного образования как этапе «освоения
профессиональной методологии» претворяется в жизнь в Губкинском
университете уже около двух десятков лет.
Во втором издании книги проведено разделение понятий инже-
нерной деятельности и деятельности (работы) инженера. Это принци-
пиальный момент. Указанные понятия в существующей литературе, в
том числе и в первом издании книги смешены, и из-за этого сплошь
и рядом возникает путаница. Путаница и противоречия в предмете,
продукте, технологии деятельности, на которые регулярно натыкался
автор в своей преподавательской практике.
Вряд ли найдется тот, кто будет оспаривать, что технология
деятельности организации, занимающейся проектированием и конс-
труированием какой либо техники, и технология работы отдельного
инженера - разные вещи. Работа инженера это составляющая сложной
системы - инженерной деятельности. Когда говорят об инженерных
войсках, инженсрых сооружениях, инженерных изысканиях, то нс
имеют в виду, что все кто служит в этих войсках—сплошь инженеры,
что непосредственно инженеры строят инженерные сооружения И
проводят инженерные изыскания.
Задача, ради решения которой писалась кита, как раз и состоит
в том, чтобы, с одной стороны, студентам -будущим инженерам было
понятно, в какую деятельность людей, деятельность инженерных
организаций (проектных институтов, инжиниринговых компаний и
г.д.) они будут вовлечены, каким образом эта деятельность связана с
другими видами деятельности и влияет на них, а, с другой стороны,
что конкретно и персонально может быть возложено на них.
Автор исходит из того, чю всякая деятельность, в том числе ин-
женерная конституируется через организованность. И вузы ведут под-
готовку инженеров нс для того, чтобы они работали одиночками.
Поэтому мы свое внимание сконцентрируем на инженерах,
работающих на предприятиях, в исследовательских и проектных
организациях, службах технического обслуживания и т.п.
Увы, вузовские программы, сама технология инженерной под-
готовки, реализуемая в учебном процессе, пока еще в малой степени
касаются устройства системы, именуемой инженерной деятельностью
и, в сущности, ориентируют будущего инженера на работу в качестве
«одиночки». Говоря философским языком, онтология инженерии,
включающая не только ее содержание и типологию, но и представ-
дения о способах и организации инженерной работы, предполагает
-15-
адекватную онтологию деятельности учения—обучения в подготовке
инженеров — (л. 54), а этого нет.
Вводимые в учебные планы с недавних пор курсы типа прак-
тики делового общения, социальной психологии, безусловно, очень
полезны. Но они касаются проблем коммуникаций специалистов
в ходе создания и использования ТО в основном в аспекте пси<о-
логическом, поведенческом, но не в функциональном. И поэтому
нс восполняют того пробела в понимании принципов организации
инженерной деятельности, который характерен для выпускников
технических вузов.
Комплексное курсовое и дипломное проектирование, при котором
студенты -участшжн творческого коллектива - выполняют задание по
проектированию ТО, каждый по своему разделу, соответствующему
его специальности, и как бы имитируют реальную технологию про-
ектирования, могло бы частично устранить этот недостаток. Но мас-
штабы внедрения этой формы, обеспечивающей совмсстнук! работу
студентов разных специальностей, весьма незначительны.
Кардинальному изменению ситуации в части усиления дестель-
ностной составляющей в подготовке инженеров служит инновацион-
ная образовательная программа Губкинского университета «Развитие
инновационных профессиональных компетенций в новой среде обуче-
ния -виртуальной среде профессиональной деятельности» (л. 26,27).
С этой программой, одним из разработчиков которой является автор,
университет вошел в число победителей конкурса инновационных
программ, проведенный Минобрнауки РФ в рамках национального
проекта «Образование» в 2006- 2007 годах.
Многолетний опыт преподавания в губкинском университете
методологии инженерной деятельности свидетельствует, что этот
курс действительно помогает сформировать у студентов более четкое
и полное представления о содержании инженерной деятельности, ее
видах и особенностях и лодютовить их к будущей работе в качестве
инженеров.
Курс, конечно же, не претендует на академичность в смысле
бесспорности излагаемого материала, поскольку в книге дается от-
нюдь не канонизированный взгляд на существо и нормы инженерной
деятельности.
Сама идея курса с ожилась во многом под влиянием рано ушед-
шего из жизни отечественного философа, известного методолога
Г.П. Щедровицкого, лидера Московского методологического кружка,
в недрах которого в течение многих лет велась разработка «общей
теории деятсльнрсти>>. Будучи в свое время захваченным этими
16
разработками, автор надеялся получить от Г. П. Щедровицкого и его
коллег-методологов, иначе говоря, из первых рук нечто вроде матрицы,
точнее, сели говорить языком программистов, оболочки, наполнив
которую содержанием, отражающим специфику нефтегазового произ-
водства, он сможет квалифицированно изложить студентам существо
инженерной деятельности в этой сфере.
Оказалось, что до подобной оболочки еще далеко, что общая
теория деятельности почти то же, что и «общая теория человечества»
(поскольку человек по своей природе деятель, «изменятель», как ут-
верждает писатель М. Веллер), и ее разработка—бесконечный и вширь,
и вглубь процесс методологической деятельности. И как говорил сам
ГЛ. Щедровицкий, дело это не для одного поколения (л. 113).
Инженерное образование в России перешагнуло трехсотлетний
рубеж, но так и нс выработалась общепризнанная точка зрения; что же
это такое—инженерная деятельность, какова роль и место инженера
в этой деятельности, в чем состоит ее предмет и продукт, каковы
технологии, инструментарий и т.д. И, соответственно, студенты
не могут получить доста очно днятцьде ответы на эти вопррры из
учебников
То, что в технической учебной литературе действительно на-
личествует указанный пробел, нет преувеличения. Летом 1988 года
в Обнинске, в институте атомной энергетики состоялась органи-
зационно-деятельностная игра «Содержание и методы вузовской
подготовки и повышения квалификации инженеров-электриков».
Как писал ректор института профессор Ю.А, Казанский в пре-
дисловии к сборнику (л. 49), «участники игры — преподаватели и
студенты технических вузов, сотрудники НИИ, инженеры произ-
водственники - зафиксировали отсутствие понятия инженерной
деятельности. Оказалось, что трудно ответить на самые, казалось
бы, простые вопросы что такое - инженер? Чем инженер отличается
от техника? Можно было предположить, что то, чем занимается
профессионально (на своем рабочем месте) дипломированный
инженер, и есть инженерная деятельность, а человек с дипломом
инженера - инженер. Ио тут же вставал каверзный вопрос: а так
ли это на самом деле»,
Добавим к этому, что в вышедшем из печати существенно позже,
в 1996 году энциклопедическом словаре-справочнике «Техничес-
кое творчество: теория, методология, практика» (л. 95), критерии
«инженерности» работы, выполняемой специалистами, имеющими
соответствующий диплом, по-прежнему оказались не сформулиро-
ванными.
-17-
В настоящем учебном пособии предложены рабочие варианты
ответов на указанные выше вопросы, и эти ответы могут служить, по
крайней мере, первым приближением к истине.
В изложении предмета подход автора, полагающего, что целевая
функции инженерного образования - подготовить человека к
социально ответственной инженерной деятельности в качестве
инженера, весьма близок программе, намеченной Н.М. Коряк в ее
статье «Пути и методы определения содержания подготовки инженера
широкого профиля» (л. 54).
Надо сказать и о том, что концепция курса методологии ин-
женерной деятельности вполне вписывается в русло динамично
развивающегося в последнее время компетентностного подхода в
формулировании требований к результату освоение студентами ву-
зовских программ.
Инженерная деятельность чрезвычайно многогранна. Поэтому в
книге будут рассмотрены лишь те аспекты, которые наиболее значимы
с точки зрения подготовки к ней студентов инженерных вузов.
В книге в слова инженерная деятельность и инженерия вклады-
вается одинаковый смысл. Термин «инженерия» уже используется
в национальных стандартах Российской Федерации, утверждаемых
Федеральным агснством по техническому регулированию и метро-
логии. В качестве примера можно сослаться на стандарт ГОСТ Р
ИСО/МЭК 15288-2005 «СИСТЕМНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ. Процессы
жизненного цикла систем» (л. 34). А в последнее время в наш оби-
ход как синоним инженерной деятельности все более широко входит
термин «инжиниринг» Заметим в этой связи, что вышеназванный
национальный стандарт идентичен, как указано в Предисловии к нему,
международному стандарту ISO ЛЕС 15288:2002 «Sistem engineering
- Sistem life cycle process»).
Термином «инжиниринг» обозначают определенную систему
деятельности по проектированию, производству и эксплуатации ма-
шин, оборудования, строительству зданий и сооружений, оргагшзации
производственных процессов. Это деятельность по предоставлению
на коммерческой основе различных инженерно-консультационных
работ и услуг- проведение технико-экономических обоснований и
исследований, связанных с проектированием, подготовка техничес-
кой документации и смет расходов, оценка и экспертиза технических
предложений (проектов) строительства объектов, внедрение новов-
ведений и т.п.
Важное место в деятельности инжиниринговых организаций за-
нимают такие вида работ, как консультирование до проектированию,
-18-
маркетингу, контроль за изготовлением и монтажом оборудования,
услуги по эксплуатации и управлению, реализации выпускаемой
продукции (л, 90).
Ряд коллег, рассматривающих в своих работах методологичес-
кие вопросы инженерной деятельности, предпочитают пользоваться
понятием инженерного дела. Различие в этих понятиях, безусловно,
имеется, но с нашей точки зрения оно не принципиально
Для автора очень важным было убедиться, что вопросам мето-
дологий инженерной деятельности серьезное внимание уделяется и
в зарубежных вузах, в частности, в американских. Красноречивым
свидетельством этому является недавно изданная под редакцией
профессора Аризонского университета (Туссон, США) Терри Кахилла
серия из 14-ти книг по системному инжинирингу. А одной из, по-
видимому, первых публикаций в данной области является изданная
Принстонским университетом еше в 1962 году книга профессора
А, Халла (A. Hall) «А Methodology for Systems Engineering» (л. 104).
На русский язык слова Sistem Engineering нередко переводятся
как системотехника. Но что есть системотехника как нс инженерная
деятельность, инженерия?
В книге немалое внимание уделено компьютерным технологиям
инженерной деятельности. С позиций непосредственного приложения
к инженерной деятельности рассматривается и в целом проблема
«искусственного интеллекта».
Еще одно, последнее замечание касается обусловленных присо-
единением России к Болонской декларации инициатив постепенного
сворачивания в пашей стране подготовки дипломированных спе-
циалистов (инженеров) и перехода к подготовке преимущественно
бакалавров и в существенно меньших объемах - магистров. Пред-
ставляется, что это никак не скажется на актуальности предмета
книги и соответствующего учебного курса, поскольку деятельность,
к которой должны быть подготовлены бакалавры и магистры техники
и технологии, это именно инженерная деятельность.
Автор считает своим долгом поблагодарить коллег - профес-
соров и преподавателей, а также специалистов отрасли, обсуждав-
ших с ним в процессе работы над пособием содержание отдельных
разделов, сделавших немало конструктивных, доброжелательных
замечаний и предложений; К С. Басниева, В.Н. Ивановского,
В .А. Лукьянова, В.М. Лурье, В .11 .Марона, И.Т. Мищенко, А.Г. Молчанова,
О.А. Новикова, Л И. Соколинского, ГМ. Сорокина, А.К.Прыгаева,
А.Г. Чернобыльского, А.П. Шмидта. Очень плодотворными для автора
были дискуссии с профессором Виктором Лившицем из университета
-13-
Бен-Гуриона в Беер-Шиве. Большую помощь в подготовке книги к
изданию оказал А.Д. Макаров.
Особую признательность автор выражает профессорам А И. Вла-
димирову и В.Ф. Взятышеву. взявшим на себя труд рецензирования
пособия.
-20
ВВЕДЕНИЕ
Инженерная деятельность и инженерная работа
Каждый отдельно взятый морально устойчивый инженер, уходя в
будний день утром из дома, говорит, что идет на работу, возвращаясь
— что пришел с работы. Никто не говорит, даже Президент страны,
ЧП}0 ходит на деятельность, задерживается на деятельности и т.п.
Люди работают. И каждый отдельный взятый инженер рабо-
тает.
Одному присваивается почетное звание «заслуженный деятель
науки (искусств)», другому - «заслуженный работник культуры (вы-
сшей школы, нефтяной и газовой промышленности)». Один — Деят ель,
а другой - Работник.
Все это наводит па мысль, что работа и деятельность не синони-
мы. А потому надо с самого начала разобраться, в чем их различие.
Иначе легко запутаться в предмете изложения.
И еще один вопрос требует предварительного обсуждения: что
значит профессионально заниматься какой-либо деятельностью и что
значит - участвовать в ней. Думается, это «тоже не одно и то же».
Вряд ли осветители сцены в театре или реквизиторы скажут, если
у них нет мании величия, что занимаются театральным искусством.
Но то, что они в нем участвует — бесспорно. Аналогично судьи в
фигурном катании, или гимнастике, или футболе: они, выполняя
свою работу, не занимаются спортом, но, безусловно, участвуют в
спортивной деятельности.
Размышляя об этом, мы вполне можем допустить и даже ут-
верждать, что в инженерной деятельности, результатом которой, как
следует из технической литературы, является все то, что образует
антропогенный (т.с. созданный человечеством) материальный мир,
участвуют не только инженеры.
Воспользуемся аналогией, которая сама по себе, как и всякая анало-
гия, ничего и не доказывает, но помогает прояснить нашу позицию.
На вопрос кто производит мед, большинство ответит: пчелы. Но
это не совсем верно, поскольку мед производит улей, и не все пчелы,
входящие в него, собирают и перерабатывают нектар в мед Есть
еще и матка, и трутни, у которых другая, по абсолютно необходимая
для обеспечения жизнедеятельности улья функция. Получается, что
совокупная работа разных пчел в улье создает (образует, формирует)
деятельность, дающую столь ценимый нами продукт.
Приступая к изучению курса методологии инженерной деятсльнос-
21-
та, нам следует угочщ ггь, о чем пойдет речь: то ли о методологии работы
инженеров, то ли о методологии инжиниринга, то ли чем-то еще,
В (л. 59) понятие деятельности определяется исходя из того, что
«деятельностью занимается каждый отдельный человек и не только
во имя интересов людей вообще, но и, прежде всего, в своих интере-
сах». Автор этой весьма содержательной книги различает научную,
инженерную и рабочую деятельности, и видит роль инженеров в том,
чтобы создавать образы вещей, а роль рабочих - превращать зги об-
разы в реальные изделия. В его трактовке инженерная деятельность
и инженерная работа — понятия тождественные
Мы придерживаемся несколько иной гонки зрения:
когда речь идет о конкретном инженере имярек, токего заня-
тию следует подходить как к работе, когда об инженере вообще,
то есть обезличенно, то -как к деятельности инженера. Если же
имеется « виду весь инженерный корпус в совокупности с теми,
кто вместе с ним участвует в создании и использовании техники
и технологий— учеными,рабочими, техниками, служащими и т.д.
- Как к инженерной деятельности.
В статье «Исходные представления и категориальные средства
теории деятельности» (л. 113) Г.П. Щедровицкий, касаясь вопроса,
как относится «деятельность» к отдельному человеку, отмечает сле-
дующее.
«По традиции, поскольку само понятие деятельности формиро-
валась из понятия «поведение», деятельность как таковую в боль-
шинстве случаев рассматривали как атрибут отдельного человека, как
то, что им производится, создается и осуществляется, а сам человек
в соответствии с этим выступал как «деятель», И до сих пор боль-
шинство исследователей - психологов, логиков и даже социологов, не
говоря уже о физиках, химиках и биологах, - думают точно так; само
предположение, что вопрос может ставиться как-то иначе, например,
что деятельность носит безличный характер, кажется им диким и
несуразным. Но есть совершенно иная точка зрения. Работы Гегеля и
Маркса утвердили рядом с традиционным пониманием деятельнос-
ти другое, значительно более глубокое согласно ему человеческая
социальная деятельность должна рассматриваться не как атрибут
отдельного человека, а как исходная универсальная целостность,
значительно более широкая, чем сами «люди».
Не отдельные индивиды тогда создают п производят деятель-
ность, а наоборот: она сама захватывает их и заставляет «вести»
себя определенным образом». И далее, — пишет Г.П. Щедровицкий,
- «каждый человек, кргда он рождается, суалкцвастся с уже сложив-
-22-
шейся и непрерывно осуществляющейся вокруг него и рядом с ним
деятельностью», «люди оказываются принадлежащими к деятель-
ности, включенными в нее либо в качестве материала, либо в качес-
тве элементов наряду с машинами, вещами, знаками, социальными
организациями и т,д ».
«Система человеческой социальной дся ельности оказывается
полиструкгурной, то есть состоит из многих, как бы наложенных
друг на друга структур, а каждая из них в свою очередь состоит из
множества частных структур, находящихся в иерархических отноше-
ниях друг с другом».
Поставим перед собой такой вопрос: можно ли считать нигде не
работающего или работающего в совершенно не инженерной сфере
человека, но занимающегося изобретательством и самостоятельно
пытающего воплощать свои изобретения в жизнь инженером?
По содержанию — почему бы нет. По форме — с большой натяж-
кой.
Мы различаем тех, кто занимается чем-либо профессионально, и
тех, кто самодеятельно, в качестве любителей, хотя, случается, дости-
жения вторых выше. Почему? Наверное, среди прочего и потому, что
первые являются основными, как бы «штатными» представителями
соответствующей деятельности, без них нет и деятельности, вторые
же своего рода совместители в деятельности, существующей помимо
них и независимо от них.
Опять же театральная аналогия. В России еще с допетровских
времен некоторые князья и графы создавали у себя театральные кол-
лективы из крепостных, ставили драма ические спектакли, оперы.
Были эти крепостные актерами? Были. Была ли тогда театральная
деятельность? Ответить столь же категорично «да» не получается
Вот почему мы и утверждаем что всякая деятельность, в том
числе инженерная, конституируется через организованность.
Следующим принципиальный вопрос: в работе рабочего, опера-
тора, техника обычно наличествуют элементы инженерной работы,
нередко они вносят рационализаторские предложения, становятся
изобретателями. А инженеру в свою очередь приходится выполнять
менее квалифицированную работу, причем это имеет место и на самых
передовых предприятиях. К примеру, выполнение рабочих чертежей
по чертежу общего вида - работа, которую могут выполнять специ-
алисты с общим средним или средним специальным образованием,
однако сплошь и рядом ее выполняют инженеры.
К сказанному следует добавить и то, что работа, которая еще вчера
считалаед исключительно инжедерной, сегодня поручается техникам,
-23-
операторам и даже рабочим, потому что при появившихся средствах
они с ней вполне могут справиться.
Что из этого следует?
А то, что границы, разделяющие работу на инженерную и не
инженерную, являются нечеткими, размытыми.
В подтверждение этого тезиса процитируем авторов уже упо-
минавшесйся книги «Educational Gap»(n.l3), которые, имея в виду
инженера, пишут, что «этот синтетический специалист должен об-
ладать эмпирическими знаниями конструктора, эвристическими ре-
шениями технолога, навыками и мастерством станочника, сноровкой
опытного контролера. И при этом безукоризненно владеть хардвером
и совтвером полдюжины ПК, используемых в работе. Разве в таком
конгломерате можно разделить этапы принятия и реализации решений
функции инженерные от неинженерных?»
Пос гавленные вопросы побуждают нас, с одной стороны, рас
сматривать инженерную деятельность как определенный вид де-
ятельности социума. Деятельности, которой занимаются не только
люди с инженерными дипломами. А, с другой стороны, попытаться
найти способ, критерии, чтобы вычленять в этой деятельности ту
составляющую, которая по своей сути, говоря современным языком,
относится к компетенциям инженеров {Рис. 1).
Если мы найдем ключ к решению этого вопроса, то далее смо-
жем предметно говорить об инженерных компетенциях в различных
видах инженерной деятельности - исследованиях проектировании,
производстве и эксплуатации техники и г.д.
Рис. /. Вычяснение инженерных компетенций техники и т.д.
-24-
ЧАСТЬ 1.
СУЩНОСТЬ И ВИДЫ ИНЖЕНЕРНОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
ГЛАВА 1.1,
Содержание инженерной деятельности
§1.1.1 Предметная область инженерной деятельности
По общим законам методологии изложение методологии ин-
женерной деятельности следует начать с обсуждения, что означает
каждое и? этих трех слов.
Когда студент в первый раз приходит в аудитории на лекцию по
высшей математике, или физике, или химии, или электротехнике,
он, путь и приблизительно, но все-таки представляет, про что будет
идти речь. Практика показывает, что, увидев в расписании занятий
дисциплину, читаемую автором, он, как правило, недоуменно пожи-
мает плечами.
Уже упомянутую книгу «Методология образования» (л. 68)
профессор А.М.Новиков начинает с изложения своей позиции отно-
сительно того, что обозначается терминами «методология», «педа-
гогическая деятельность». Подобным образом действует и академик
Б.В. Литвинов (л. 59). Последуем их примеру.
Итак, методология.
Если исходить из того, что слово методология соединяет два
понятия — метод и логос (в переводе с греческого - знание, учение,
слово), то самое простое сказать: методология это учение о методах,
О методах познания, о методах какой-либо конкретной деятель-
ности или деятельности вообще. А.М. Новиков (л. 68) предлагает
трактовать методологию как учение об организации деятельности.
Г.П. Щедровицкий (л. 113.114) саму методологию рассматривает как
деятельность.
Мы будем исходить из того, что
методология охватывает как вопросы организации деятель-
ности, так и другие ее атрибуты: предмет, цели, содержание,
средства, способы и т.д.
Перейдем к понятию деятельности. И, прежде всего, выясним,
что есть предмет инженерной деятельности, иначе говоря, какова сс
предметная область.
-25 -
распространена точка зрения, что инженеры - творцы новой
техццки и заняты они созданием и использованием (эксплуатаци-
ей) технических объектов, разработкой новых технологий, (л. 77),
В (л. 59) говорится, что «инженерная деятельность в наибольшей
степени связана именно с созданием и использованием техники»,
что «основными функциями инженерной деятельности являются
создание и участие в материализации новых образов материального
искусственного мира (вещей, установок, технологических процессов)
на основе уже известных знаний». При этом «инженер создает образы
вещей, способы их производства и использования»
В изданном в 1987 год:/ словаре «Научно-технический прогресс»
(л. 89) сказано, что «инженерная деятельность может быть определена
как деятельность, направленная на применение научных знаний для
создания технических объектов - сооружений, механизмов, устройств
и т.д. - и управление процессом их изготовления».
Отношение к указанным точкам зрения зависит от того, что по-
нимается под техническим объектом (далее — ТО).
Понятие ТО является центральным в философии техники - одной
из отраслей современной философии. И рассматривать его можно
со строгих научных позиций: через понятия техники, техноценоза,
техносферы как предметной области инженерной деятельности и с
использованием философских категорий целого (техносфера) и еди-
ничного (технический объект) - (л. 95).
Но наша книга не относится к числу философских. Мы ограни-
чимся иллюстрацией понятия ТО, приведя ряд примеров. И будем
иметь в виду, что понятие технического объекта во многих случаях
(тогда, когда ТО сложен) эквивалентно понятию технической сис-
темы (ТС).
Обычно под ТО подразумевают созданное человеком изделие
(устройство, сооружение, систему, материал, вешь, продукт), пред-
назначенное для удовлетворения определенной потребности.
И в этом смысле техническими объектами является скважина
и трубопровод, буровой раствор и компьютер, ректификационная
колонна и доменная печь, автомобиль и любая его отдельная деталь,
обои и зубная паста. Технический объект - это смазочное масло,
сплав, посуда, ткань, отходы производства, географические карты и
проч., и проч.
Заметим, что используемые при создании ТО орудия труда,
инструменты, средства производства сами являются техническими
объектами (из уважения к первобытным людям надо бы добавить
«как правило»).
-26-
Можно сказать так: технические объекты - это широкий класс
материальных продуктов деятельности людей.
К техническим объектам (системам) можно отнести также и
предприятия (завод, нефтяной или газовый промысел, порт), иначе
говоря, производственно-технологические системы, и так называемые
человеко-машинные системы (например, системы автоматизирован-
ного проектирования).
Любой ТО существует вместе со способом (способами) его со-
здания и применения (использования) - технологией (будь то стул,
ложка, канцелярский клей, микроволновая печь, жилой дом, вело-
сипед, простыня и т.д.). То есть, от понятия ТО неотделимо понятие
технологии.
Но что есть технология, понимаемая в обиходе как совокупность
конкретных приемов, операций, действий с (или над) определенны-
ми объектами и с использованием соответствующих средств в их
(действиях) определенной последовательности, иначе говоря, как
алгоритм, рецептура, метод, программа? Это же не материальный
объект. В. Ливщиц в (л. 13), опираясь на классиков психологии
Л.С. Выгоцкого, П.Я. Гальперина, утверждает, что технология в ее
генезисе - это последовательно преобразующийся продукт мозговой,
виртуальной деятельности человека в попытке атаковать стоящую
перед ним задачу (проблему). Как у А.С.Пушкина в «Сказке о царе
Салтане»:
«Как бы здесь на двор окошко
Нам проделать? -молвил он,
Вышиб дно и вышел вон»
Здесь «молвил» — подумал вслух. А подумал вслух - это уже ар-
тикулирование технологии, то есть перевод в форму артефактов тех
операций и действий, которые составляют ее содержание.
В конечном же счете, технология как продукт мыследеятель-
но сти приобретает форму одного из видов технической информации
(простейшие варианты - инструкция по применению, кулинарный
рецепт). Это, если говорить обыденным языком, информация о том,
как и с помощью чего что-либо должно делаться, производиться,
использоваться. Носитель информации - папирусный свиток, книга,
ауди-касета, CD, флэш-карта и т.д. существенного значения не имеет.
То есть технология в указанном смысле - это информационный объект.
Проектно-конструкторская документация, чертежи, пояснительные
записки, расчеты - тоже информационные объекты.
-27-
Следовательно, не только материальные по своей природе
ТО, ио и соответствующий класс неразрывно связанных с ними
информационных объектов («образов вещей», как формулирует
академик Б.И. Литвинов) составляют предметную область инже-
нерной деятельности.
Казалось бы, на этом в обсуждении вопроса о ТО и предмете
инженерной деятельности можно поставить точку.
Однако все не так просто. Справедливо ли, например, обратное
утверждение: материальные продуктах деятельности людей - техни-
ческие объекты?
Являются ли, в частности, техническими объектами картины,
скульптуры, архитектурные сооружения, то есть объекты, относимые
к произведения искусства. Правомерно ли считать техническими
объектами ювелирные изделия, косметику, лекарства, хлеб, продукты
кулинарии, новые сорта растений, предметы одежды, обуви?
А правильно ли относить к техническим объектам, как это делают
некоторые авторы, гнезда птиц, плотины бобров, пчелиные соты и т.д.
- природные объекты, к которым человек не имеет отношения?
Чтобы разобраться в этом, вспомним, что прилагательное «техни-
ческим» применительно к объектам, создаваемым людьми, достаточно
часто служит синонимом прилагательного «иску сственный». Это
естественно, поскольку понятие «техника» в основе имеет греческий
корень «техне», что означает искусство, мастерство, умение» (л. 95).
Неслучайно искусного футболиста или музыканта нередко характери-
зуют как владеющего высокой техникой, виртуозным мастерством.
И не обо всех материальных в своей основе продуктах человечес-
кой деятельности нам удобно говорить как о технических объектах.
В частности, называть новый ген, а это продукт генной инженерии,
техническим объектом не благозвучно (режет слух), искусственным
же - вполне.
Рис 2 Орхидея.
Но в этой связи возникает
еще один, доводьно каверзный
вопрос.
Выведенный селекционе-
ром новый сорт орхидей (рис. 2)
или огурцов — технический (в
смысле - искусственный i объект
или нет?
Если да, го почему бы тогда
не считать подобными объекта-
ми выведенные людьми новые
-28-
породы животных, а селекционеров — инженерами? А клонирование
— одним из видов инженерной деятельности в сфере биологии?
Это только на первый взгляд кажется несерьезным и даже аб-
сурдным. В (л. 53) доказывается, что всякая наука имеет в качестве
своего «технического спутника» соответствующую инженерию, и
таковой, например, для биологии человека является медицина. Так
что поставленный вопрос правомерен.
Если принять точку зрения уважаемого Г. Копылова, но по-
прежнему исходить из того, что инженеры заняты развитием мира
техники, то ответы на этот и предыдущие вопросы должны быть
положительными, и знаменитую овечку Долли придется считать
техническим объектом. А тот факт, что продукцию фармацевтики,
кулинарии, швейной промышленности по сложившейся традиции не
относят к технике, хотя все это - материальные продукты деятельности
людей, по-видимому, всего лишь досадное недоразумение.
Что же касается вопроса о пчелиных сотах, то это, на наш взгляд,
вопрос договоренности. Рассматривая инженерную деятельность
людей, мы будем интересоваться техническими объектами, создавав
емыми людьми.
Так или иначе, но получается так: либо мы должны расширитель-
ным образом трактовать понятия техники и технического объекта,
либо считать, что предмет инженерной деятельности - нечто большее,
чем мир техники.
Но тут важно не переборщить. Некоторые авторы предлагают
рассматривать технику предельно общо: как синоним того, что они
называют антропогенным миром - второй, искусственной природой^
полагая при этом первой природой естественный мир (л. 91).
С этим, конечно, трудно согласиться: не все искусственное яв-
ляется техническим, а такие продукты человеческой деятельности
как научные теории и политические программы, музыкальные и ли-
тературные произведения, кинофильмы и спектакли к миру техники,
несмотря на их безусловную принадлежность к антропогенному миру,
никак не отнесешь.
В то же время не стоит забывать, что современные компьютеры
могут создать рифмованный текст со смыслом, «музыку», кажущуюся
неспециалистам творением композитора, образец абстрактной живо-
писи, воспринимаемый аналогичным образом, 14это свидетельствует
о том, что инжинерия вторгается в нематериальные, духовные сферы
человеческой деятельности.
Недаром же писателей иногда называют (вслед за М.Горьким)
инженерами человеческих душ.
-29-
Да и одна из докторских диссертаций, посвященных философии
техники, прямо так и называется (л. 12): «Проблемы технического
творчества как вида духовного производства». Замечательное
название. Коль скоро результатом духовного производства является
духовный продукт, то им может быть и любая идея, в том числе тех-
ническая. А такого рода продукты как раз и создаются инженерами.
Генерировать технические: идеи - это их задача. Это есть квитесенция
технического творчества. И мы по этому поводу заметим, что мир
технических идей гораздо богаче мира технических объектов.
Что же тогда все-таки составляет предмет инженерной деятель-
ности?
Мы уже зафиксировали, что сфера инженерной деятельности
естественным образом включает не только материальные, но и со-
путствующие им информационные объекты - технические идеи,
технологии, проектно- конструкторскую документацию, различные
программы и методики и т.д.
Объектами этого типа являются и компьютерные программы. В
соответствии с этим появилась и специальная квалификация «инже-
нер-программист». Кроме того, это и базы данных, и базы знаний (в
вузах уже ведется подготовка инженеров — специалистов в области
представления знаний), и экспертные системы, и проч.
В сфере бизнеса приобретает популярность «психоинжиниринг»,
определяемый как особая идеология и методология управлением пол-
ным жизненным циклом человеческих организаций. Более подробно
эти вопросы рассматриваются в гл. 2, 6. Здесь же отметим, что пси-
хоинжиниринг представляет собой чисто инженерную дисциплину и
является составляющей новой (уже третьей) волны информационных
технологий, обозначаемой как «управление знаниями» — быстро раз-
вивающейся системы инженерных технологий, ориентированных на
поддержку мыслительной., интеллектуальной деятельности.
Нам представляется не корректным объединять понятием тех-
нического объекта материальные продукты деятельности людей,
относящиеся к неживой природе, искусственно выведенные сорта
растенеий и породы животных, а также указанные выше информа-
ционные и духовные продукты.
Традиционная точка зрения, что инженеры создают технические
объекты и развивают мир техники, нуждается в уточнении.
То, что ижеиерная деятельность вышла за рамки создания,
совершенствования и использования по назначению технических
объектов — объективная реальность.
В (л. 52) дан подробный анализ различных трактовок ниже-
-30-
верной деятельности, предложенных,, в частности, А.Б. Курдовым,
В.И. Мартинкусом, Д.О. Гусевым, А.В. Алехиным, А.И. Ракитовым
(л. 2,35,56, 64,83).
Г.П. Щедровицкий и его последователи употребляют термин
инженерия в наиболее широком смысле. Любое проектирование,
конструирование или программирование они рассматривают как вид
инженерной деятельности. Ну а проектировать можно не только тех-
нический объект. Можно проектировать саму деятельность, например
военную операцию, выборную компанию.
За примером проектирования деятельности как одного из пред-
метов инжиниринга далеко ходить не надо.
Инженер Генри Форд изобрел (спроектировал, создал) конвейер-
ное производство автомобилей {рис. 3).
Рис. 3. Автамобидьны и конвейер.
Можно ли считать конвейер техническим объектом? Если смот-
реть на него просто как на транспортер, то да. Но с другой стороны,
это есть способ, организация деятельности.
Заметим, что инженер, начинающий трудовую деятельность,
как правило, получает «сверху» задания и выполняет их. По мере же
продвижения пр службе, по мере карьерного роста, с занятием более
высоких должностей в его повседневной инженерной работе все
больший удельный вес занимает программирование и распределе-
ние работы между своими подчиненными, контроль ее выполнения,
то есть по сути дела проектирование деятельности других людей и
управление ею.
-31 -
В любой деятельности средства ее осуществления в совокуп-
ности со способами, в том числе организационными, их эффектив-
ного использования для получения результата, соответствующего
поставленным целям, правомерно рассматривать как ее технологию.
В (л. 13) говорится, что «уже давно «технология» стала обозначать
совокупность приемов определенной деятельности. А за последние 15-
20 лет этот термин утратил свою производственную семантику и стал
использоваться весьма расширительно: технология приготовления к
отъезду, технология выполнения проекта и т.д.» В этом смысле можно
говорить о технологии инженерной деятельности. В (л, 52) обозна-
чает эту технологию термином «инженеринг». Пример с конвейером
свидетельствует, что
технология деятельности является одним из предметов нн-
женерной деятельности.
Соответствующая проблематика входит в круг вопросов, рассмат-
риваемых в таких учебных дисциплинах, как «управление проектами»,
«проектный менеджмент». Эти дисциплины изучаются в инженерных
вузах, как правило, поверхностно, и поэтому указанной проблематике
посвящена отдельная глава данной книги (гл. 2.6).
В наш лексикон с недавних времен вошел термин «политтех-
нолог». Быть может, правы те, кто рассматривает подобных специа-
листов, как инженеров, подвизающихся на ниве политики, техноло-
гизирующих политическую деятельность. Широко известно и часто
цитируется следующий тезис министра внутренних дел в период
президентства Вильсона Franklin К. Lane (л. 52): «Люди, которые
составили конституцию Соединенных штатов, были инженерами».
На многие языки мира переведены и приобрели популярность
книги Дейла Корненги (последняя из изданных в России - «Учебник
жизни») В сущности, в этих книгах излагаются некоторые эффектив-
ные технологии дедовых коммуникаций, и это. думается, тоже своего
рода «инженеринг».
Такие понятия, как инструмент, механизм, конструкция сегодня
широко используются в сферах, далеких от техники. Говорят об эко-
номических или правовых механизмах, финансовых инструментах,
политических конструкциях.
Эта экспансия технических терминов уже не вызывает аллергии.
И пе должна поэтому вызывать возражениий позиция Г П. Щедровиц-
кого и его проследователей, что если что-либо, неважно, в какой облас-
ти человеческой деятельности, проектируется или конструируется, то
это «что-либо» становится предметом инженерной деятельности.
Итак, мы убедились, что предмет инженерной деятельности - ка-
-32-
тегория динамичная, и она постепенно становится органичной частно
и гуманитарной, и социально-экономической деятельности.
Это находит свое выражение уже и в некоторых нормэдщдых
документах высшей школы.
Обучение в вузах страны осуществляется по учебным планам и
программам, которые разрабатываются на основе квалификационных
требований к уровню подготовки выпускников, их знаниям, умениям и
навыкам. В свое время эти требования фиксировались в «квалификации
онных характеристиках», теперь в «государственных образовательных
стандартах» (ГОСах), но суть дела не в названии соответствующих
документов. Существенно то, что в них в явной форме содержатся
указания на те виды деятельности, к которым должен быть подготовлен
дипломированный специалист (инженер). Ниже (§ 1.1.4) мы рассмот-
рим соответствующие разделы названных документов и увидим, что,
во-первых, в ГОСах, относящихся даже к смежным специальностям и
направлениям подготовки инженеров, виды инженерной деятельности
записаны далеко не одинаково, (что еще раз свидетельствует об акту-
альности вопросов, рассматриваемых в настоящей книге), а, во-вторых,
что менеджерская (организационно-управленческая) деятельность уже
рассматривается как инженерная.
Решимся, размышляя о предмете инженерной деятельности,
высказать следующую точку зрения: на современном этапе развития
цивилизации инженерия, сохраняя за собой как главную продук-
тивную функцию развитие техники, все более выступает как
деятельность, обеспечивающая людей технологиями или отде-
льными компонентами технологий, в частности техническими
средствами, во всех видах их деятельности.
В подтверждение этой позиции процитируем В.М. Розица, ко-
торый, ссылаясь на К. Маркса, пишет, что «техника создастся как
средство для определенной деятельности» (л.84).
Новые технологии, производимые инженерией, служат катали-
затором для рождения новых видов или форм деятельности, которые
в свою очередь технологизируются, и эта неразрывная цепочка взаи-
мообусловленности такова, что ее начало теряется в глубине тысяче-
летий, а конца у нее, хотелось бы надеятся, нет.
При таком взгляде на предмет инженерной деятельности, с од-
ной стороны достаточно широком, а, с другой стороны, выводящем
на первый план се обслуживающую другие виды деятельности, то
есть сервисную функцию, описать ее методологию безотносительно
к конкретным сферам человеческой деятельности - задача для нас
непосильная.
-зз-
Поэтому, и исходя из того, что курс методологии инженерной
деятельности читается студентам технического вуза, мы сосредо-
точимся на традиционном ее предмете - процессах создания,
совершенствовании и эффективного использования по назначе-
нию технологий и соответствующих технических объектов. При
этом обобщенное понятие технического объекта распространим
на информационные объекты, описывающие ТО и процессы их
создания -технические задания, проекты, методики, руководства,
программы, стандарты и нормативы и т.д.
-34-
§ 1.1,2 Общая характеристика инженерной деятельности
Продолжение рассуждений об инженерной деятельности требует
более четкого ее определения..
Сказанное выше о функции инженерии по отношению к другим
лидам человеческой деятельности — обеспечивать их технологиями
И отдельными компонентами технологий - лишь частично опреде-
ляет инженерную деятельность, оставляя ее «черным ящиком» и не
раскрывая его.
Но прежде ответим на вопрос, надо ли вообще определять это
понятие. Прибавляет ли что-нибудь инженеру, успешно работающему
по своей специальности, знание четкого определения инженерной
деятельности? Разве недостаточно приблизительного, интуитивного
представления о ней, особенно если оно в целом совпадает с пред-
ставлениями других инженеров, коллег, складывающимися в прак-
тической деятельности? Представлениями, которые удовлетворяли
многие поколения инженеров.
Как уже отмечалось в предисловии, ни в одном из учебников,
По которым учатся студенты технических вузов, нет какого-либо
общепринятого определения инженерной деятельности. Уже сам по
собе этот факт —свидетельство того, что инженерное сообщество не
слишком озабочено отсутствием подобного определения. Это обсто-
ятельство отнюдь не мешает вести подготовку квалифицированных
специалистов. Не так ли?
Поставленный вопрос представляется тем более резонным, что
понятие инженерной деятельности является, как мы уже отмечали,
не застывшим, а напротив, динамично развивающимся. Современная
инженерная деятельность настолько разнообразна, что действительно
можно усомниться в возможности дать однозначный ответ, что это
такое.
Кроме того, каждому инженеру его инженерная судьба представ-
ляется уникальной, и обезличенное усредненное описание инженерной
деятельности может восприниматься как мало интересная абстракция,
не позволяющая ему увидеть свое место в этой деятельности.
И, однако же, аргументов, чтобы ответить на поставленный выше
вопрос утвердительно, достаточно. Ограничимся одним, лежащим,
что называется, на поверхности.
Деловая карьера инженера, о чем мы уже говорили, как правило,
складывается таким образом, что начинает он ее как исполнитель
чьих-то поручений, а затем уже сам дает поручения, ставит задачи и
контролирует их выполнение. Со временем содержание его работы
-35-
Рис. 4. Типичная деловая карьера инженера.
все более сводится к тому, чтобы направить в нужное русло работу
других и обеспечить ее результативность (рис. 4). И если оп не будет
понимать, в чем состоит существо деятельности инженеров, чем она
отличается от других видов деятельности, например, научной или
деятельности техников, квалифицированных рабочих, администра-
торов и т.д., то маловероятно, что он сумеет достойно проявить себя
в роли руководителя.
Начнем решать проблему определения инженерной деятельности
классическим путем: с изучения того, что по этому поводу написано
в энциклопедиях и справочниках.
В словаре русского языка С.И. Ожегова читаем, что «инженер
-это специалист с высшим техническим образованием». Сегодня это
уже не совсем так. Не каждый специалист с высшим техническим
образованием - инженер.
Все больше и больше людей получают по окончании техничес-
кого вуза дипломы бакалавра и магистра, и из названия должностей,
которые многие из них занимают на предпр] т ч i лях, в организациях и
учреждениях (специалист, ведущий, главный специалист, технолог,
мастер, начальник отпела идц цеха и т.д.), не следует, что они рабо-
тают как инженеры.
Попробуем подойти к понятию инженерной деятельнрети с
общих позиций: как к философской категории.
Обратившись к философскому словарю (л. 101). выясняем, что
-36-
деятельность как таковая есть форма активного о i ноше-
ния людей к окружающему миру, существо которой составляет
его целесообразное изменение и преобразование в их интересах
(л. Философе кий словарь).
В (л. 59) это определение отвергается как вытекающее «из партий-
ных идеологических установок старых времен» и предлагается иное,
смысл которого состоит в том, что деятельностью занимается каждый
отдельный человек и, прежде всего, в своих личных интересах.
Не станем входить в полемику и пытаться в этой части вносить
свой вклад в философскую науку. Во-первых, это, как говорится, не
наш профиль а, во-вторых, мы не видим ц приведенном определе-
нии идеологической подоплеки. Как указано в упомянутом словаре,
«наиболее развитую рационалистическую концепцию деятельности
построил Гегель», которого никак нельзя заподозрить в партийной
ангажированности.
Руководствуясь точкой зрения профессиональных философов,
приходим к заключению, что
всякая деятельность, а, следовательно, и инженерная яв-
ляется деятельностью сообщества людей, включает в себя об-
щественно значимую цель, средства, результат и сам процесс
деятельности (рис. 5).
Возвращаясь к вопросу о соотношении понятий деятельности и
работы можно сказать так: деятельность это часть того целого, что
составляет бытие человечества, работа - это часть того целого, что
составляет бытие отдельного человека.
Итак, чтобы охарактеризовать инженерную деятельность, отли-
чить ее от других видов деятельности, нужно конкретизировать ее
основные атрибуты. То есть определить
предмет инженерной деятельности,
• цели инженерной деятельности,
• средства инженерной деятельности,
• результат (продукт) инженерной деятельности,
Рис 5 При мер деятельности.
-37-
• процесс (способ, технологию) инженерной деятельнос-
ти,
А получить системное инженерное образование это, по мень-
шей мере, означает уяснить цели различных видов инженерной
деятельности в соответствующей предметной области, видеть весь
арсенал средств деятельности, знать как и уметь использовать
основные из них, овладеть ее базовыми технологиями и понимать,
что есть на входе, и что желательно получить на выходе.
Такой постановке вопроса соответствует модель деятельности,
представленная на рис. 6.
Рис. 6. Обобщенная модель деятельности.
На рисунке показано, что всякая деятельность реализуется в
некоторой среде (обозначенной термином социум, который означа-
ет человеческую общность определенного типа, например, нацию,
государство). Эта среда
а) задает определенные рамки и условия деятельности, например,
правовые (юридические), ресурсные (демографические, природные,
энергетические, информационные и другие, в частности так назы-
вемые административные ресурсы), коммуникационные (транспорт,
связь, возможности доступа к информации):
б) влияет через принятую в ней систему ценностей на формиро-
вание общественных потребностей, стимулов (мотивов) и формули-
рование соответствующих целен и задач деятельности.
Стредкцна рисунке отображают не только тот факт, что процессы
деятельности обусловлены целями, осуществляются при наличии
необходимых средств и приводят к попущению некоторого результа-
та. Стрелки подчеркивают еще и то, что деятельностью необходимо
управлять, наличие цели и средств не ведет автоматически кразво-
-38-
рачиванию (запуску) деятельности. Кроме того, рисунок отображает,
что деятельность определенным образом организуется. Каждый вид
деятельности имеет свои специфические организованности: ин-
женерная - одни, научная - другие, спортивная — третьи и т.д.
Пунктирные стрелки на схеме отображают то факт, что цели,
средства и технологии взаимосвязаны (еще римлядс говорили: finis
sanctificat media - «цель оправдывает средства»).
Приведенная на рис, 6 схема в равной мере может служить мо-
делью деятельности не только коллектива, организации, отрасли, но
и работы отдельного инженера.
Эта модель как инструмент, как своего рода ключ может использо-
ваться для сопоставления различных видов деятельности, выявления
общих моментов и отличительных особенностей,
Так, отличие инженерной деятельности, например, от научной,
прежде всего, состоит в целях.
Цель науки как вида человеческой деятельности — познание
сущности процессов, явлений, событий в окружающем нас и вклю-
чающем нас вместе с созданными нами объектами мире, выявление
взаимосвязей и взаимозависимостей этих процессов и явлений, иначе
говоря, получение нового знания, обогащение человечества новым
знанием.
Целью же инженерной деятельности является повышение
эффективности, в частности, продуктивности любых видов чело-
веческой деятельности, в том числе и научной, и инженерной, и
сельскохозяйственной, и индустриальной, и медицинской, и даже,
как мы выяснили, политической и проч., путем их технологизации
на все более высоком уровне. Технологизации, обеспечиваемой, в
том числе, созданием на основе научного знания и использованием
технических объектов.
Формулируя таким образом цель инженерной деятельности,
приведем здесь рассуждения профессора В. Л. Глазычева из его статьи
«Методология проектирования» (л. 31.), касающиеся ретроспективно-
го взгляда на проектирование в широком понимание этого термина.
«Почему проектная деятельность» - спрашивается в статье
— «легко прослеживаемая на огромной толще человеческой истории,
не обозначена как равноценная, равноправная с искусством, с филосо-
фией, с наукой?». «Потому что»-отвечает В. Л. Глазычев - «опознание
не происходит само». Если нс созрела культурная ситуация для него,
оно не происходит. С позиций сегодняшнего дня крестовые походы
можно описать как один из реализованных церковью проектов. Но ни
их вдохновители, ци участники и представить себе нс могли подобное.
-39-
Они не обладали проектным мышлением, само понятие проектиро-
вание в их логике отсутствовало. Сначала должно было сформиро-
ваться понятие общества, «как нечто, объединяющее всех живущих
несословным способом». А это- конец 19 века. «Кактолько возникло
слово «Общество», - пикнет далее В.Л. Глазычев. - «возник шанс для
появления слова «культура» Не как признак: культурный или некуль-
турный человек, есть такой бытовой термин. А понимание культуры
как сложной машины, производящей, воспроизводящей, передающей
и реализующей ценности. Это уже абстракция достаточно высокого
порядка. Значит, сначала должно было возникнуть слово «общество»,
чтобы возник шанс на опознание проектирования, которое осушест
вляется в обществе и в материале культуры».
Аналогично можно рассуждать и об инженерии как деятельности
по технологизации. Таковой она, естественно, не осознавалась ни в
далеком, ни в недавнем прошлом. Слово инженер вошло в обиход
несколько раньше, чем слово технология (вторая половина XVIII века),
а слово «технологизация» не стало общеупотребительным и сегодня.
Одно из емких его определений дано в (л. 13): «технологизация
является первым этапом перевода действий из эвристической в
операциональную плоскость;»
Строго говоря, в любом виде деятельности существует иерархия
целей. В частности, создание технических средств для осуществления
научной деятельности, то есть приборов, измерительной аппаратуры,
экспериментальных установок и т.п., также является ее целью, но
целью более низкого уровня в этой иерархии, и эта вторичная цель
может выступать как исходная цель инженерной деятельности. II
поэтому в некоторых аспектах научная и инженерная деятельность
близки, часто настолько тесно переплетаются, что их разграничить
становится достаточно сложно.
Указанная схожесть заметно усиливается, если мы будем сопос-
тавлять инженерную и научную деятельность не на макроуровне, а
на уровне деятельности, вернее, работы отдельно взятого научного
работника и инженера, особенно, если это инженер - исследователь
или программист.
Аналогично, подчас оказываются близкими деятельность инже-
нера и скульптора, архитектора, других деятелей искусства, хотя отли-
чительные особенности и в целях, и средствах, и продуктах очевидны.
В (л. 52) дается анализ инженерной деятельности в историческом
аспекте, п в качестве примера инженерных, то есть требовавших
от их создателей проектирования и расчета сооружений древности
называются шесть из «семи чудес света». Эю пирамиды в Египте,
-40-
висячие сады Семирамиды в Вавилоне, храм Артемиды в Эфесе, 1 а-
ликарпасский мавзолей, статуя бога солнца на острове Родос - колосс
Радосский, Александрийский маяк.
Статуя Зевса в Олимпии работы Фидия из осторожности из
списка выведена. «В то же время никто не будет отрицать», - пишет
автор, - «что «чудеса» являются произведениями искусства».
В инженерной деятельное in как целостной системе могут быть
выделены отдельные виды - подсистемы, (проектирование, изготовле-
ние, испытания, эксплуатация и т.д.), которые дробятся в свою очередь
(проектирование концептуальное, эскизное, техническое, рабочее).
В каждой из подсистем и их составляющих общая цель конкрети-
зируется, декомпозируется, преобразуется в задачи и из общей цели
вырастает дерево целей и задач (рис. 7).
Главная цель
Рис. 7. Дерево целей инженерной деятельности
Заметим, что если смотреть на цель как па необходимость пере-
вода системы из состояния А в состояние В, го задачи - это то, что
нужно сделать, в том числе внутри самой системы, чтобы нужный
перевод был осуществлен.
Рассмотрим теперь средства инженерной деятельности.
Всю совокупность этих средств можно разделить на четыре
группы (рис.8):
• материально-технические;
• информационные;
• интеллектуальные,
• финансовые.
-41 -
Материально-техннческие средства можно обозначить одним
словом - техника.
Всякая новая техника создается с использованием сущест-
вующей. По ото не только орудия труда, средства производства, не
только приборы, измерительная аппаратура, компьютеры, оргтехника.
Эго и предприятия, и коммуникации (связь, транспорт), и энергетика,
и проч.
Информационные средства - это. прежде всего, накопленный
человечеством багаж знаний. В первую очередь, научных, точнее на-
учно-технологических и методологических знаний, зафиксированных
самым различным образом. (По преимуществу в кн тгах: монографиях,
учебниках и учебных пособиях, энциклопедиях, статьях, словарях,
справочниках, руководствах, проектной документации ц т.д., - иначе
говоря, на бумажных носителях; но это и компьютерные программы,
реализующие методы анализа и синтеза ТО, и различные базы данных
и базы знании, и веб-сайты, и прочее). Но ими сокровищница знаний
человечества не исчерпывается.
Ц Средства инженерной деятельности d
Материально* Ц Информационные М
технические I
В Интеллектуальные I Финансовые
Рис. 8. Средства инженерной деятельности.
Есть еще такая категория знаний как опыт. Это знания, неотде-
лимые от их носителя -- конкретного человека.
Кроме того, в инженерной деятельности может быть значимым
некоторый факт или фактологический материал, не осмысленный
наукой. Факт отрицательного отношения в прошлом к какому-либо
проекту, обусловленного зачастую абсолютно субъективными, слу-
чайными обстоятельствами, нередко становится причиной долгой
певостребованности прогрессивной инженерной идеи, лежащей в
основе этого проекта. В дальнейшем мы приведем соответствующие
примеры.
К информационным средствам относятся всевозможные ката-
-42-
логи, в частности патентные, оазы данных, нормативные документы
- стандарты, регламенты, выставочные проспекты и другие материалы
презентационного характера, архивы.
Ин т елд актуальные сред ст на инженерной деятельности, а
лучше сказать ее интеллектуальный ресурс - это люди. Не люди
вообще, а люди, подготовленные к этой деятельности, обладающие
необходимыми знаниями, способностями, творческим потенциалом,
профессиональным умением. Иначсговоря, компетентные люди Это
то, что в любой деятельности обозначается понятием «человеческий
фактор».
Можно сказать так: инженеры в инженерной деятельности высту-
пают в двух амплуа - с одной стороны, они субъекты деятельности и
в этом состоит их общность а с другой стороны, каждый из них об-
ладает творческой, личностной индивидуальностью, и эта индивиду-
альность, интеллектуальный потенциал инженера - есть конкретный
ресурс, реализуемый в инженерной деятельности.
Представьте себе предпринимателя, решившего создать инжи-
ниринговую компанию под уже имеющиеся и будущие заказы. Ему
понадобиться помещение, офисная мебель, компьютеры, оргтехника,
средства связи, транспорт возможно, производственная и опытно-экс-
периментальная база (материально-технические средства). Надо будет
приобрести необходимое программное обеспечение, в том числе для
доступа в Интернет, приобрести литературу, соответствующую профи-
лю деятельности компании (информационные средства), но, главное,
подобрать персонал, сформировать трудовой коллектив, команду. И
окажется, что кадровый вопрос - наиглавнейший. Будут скрупулез-
но изучаться резюме, рекомендации, потом будут собеседования,
«кастинг», как теперь принято это называть. И успех деятельности
компании в первую очередь будет зависеть от тех интеллектуальных
ресурсов, которые она сумеет сосредоточить у себя.
Увы, сплошь и рядом приходится сталкиваться с ситуацией, когда
работники вновь созданной компании (банка, супермаркета, сервис-
ного центра и т.д.) «не дотягивают» до суперсовременного уровня ее
технической оснащенности, изысканности интерьеров, источающих
стремление их заказчиков и авторов создать клиенту максимальные
удобства.
В (л, 47), приводится весьма характерное, хотя и не бесспорное
замечание: «мышление выступает для инженера-конструктора как
ведущая характеристика деятельности» в отличие, например, от
хирурга, для которого подобной характеристикой является воспро-
изводимая практика, то есть лечение, а конкретно, операция. Го есть
-43-
подчеркивается, что инженерная деятельность есть по преимуществу
мысл едеятсльность.
Решающее значение для успешной работы на инженерном
поприще имеет понимание современной тенденции в инженерной
деятельности, связанной с технологизацией любых видов произ-
водства. Квалифицированный инженер, проектируя тот или иной ТО.
исходит из того, что этот ТО является составной частью более сложной
системы, например, технологического комплекса и учитывает это в
принимаемых решениях.
Современное инженерное мышление - это мышление не
столько на уровне отдельных машин и механизмов, сколько на
уровне технологий, учитывающее результаты ИХ воздействия ид
среду нашего обитания (техногенное воздействие), а также соци-
альные последствия.
И специалисты, обладающие подобным системным мышлением
-наиболее востребованный сегодня интеллектуальный ресурс инже-
нерной деятельности.
На протяжении десятилетий инженеров ориентировали на со-
здание ТО, обладающих высоким качеством. Это сложное понятие,
характеризующее не только изделие, его свойства, характеристики и па-
раметры, но и тех, для кого оно предназначено, и кто его производит.
Данное обстоятельство зачастую нс принимается во внимание,
отчего многие изделия отечественной промышленности, считающиеся
высококачественными, оказываются неконкурентными. Одни уверены,
что приобретенное ими или производимое кем-то изделие обладает
наивысшим качеством и большего желать невозможно, а для других
оно неприемлемо. У нас в стране всегда считалось, что уж где-где, а в
авиации мы, безусловно, мировые лидеры, и наши самолеты если не
самые лучшие, то, во всяком случае, ни в чем не уступают производи-
мым в других странах и отвечают самым высоким мировым стандар-
там. И вдруг на тебе - некоторые аэропорты отказываются принимать
«Илы» и «Тушки» по причине недопустимо высокого уровня шума их
моторов и не соответствия экеологическим стандартам.
Да, авиационные моторы шумят, обязаны шуметь, но мы-то по-
лагали, что с этим неудобством ничего не поделаешь, просто нужно
потерпеть. Оказывается, не все готовы терпеть.
Нынче чаще говорят не о качестве ТО, а об их конкурентоспо-
собности.
Но разве не очевидно, что конкурентоспособную продукцию мо-
гут создавать только конкурентоспособные специалисты. Пока мы не
уясним, какие именно качества в совокупности делают специалистов
-44-
конкурентоспособными, причем не отдельно взятых, а когда они сов-
местно делают одно общее дело, не научимся эффективным образом
организовывать их деятельность, добиться конкурентоспособности
нашей техники будет трудно.
Необходимо понимать, что инженерная деятельность - это
система. Субъекты деятельности - инженеры являются хоть и важней-
шим, но одним из многих типов элементов, образующих эту систему.
Между тем известно, что
тех главных свойств системы, которые она приобретает,
когда ее элементы связываются определенной структурой и вза-
имодействуют, j каждого отдельного элемента нет.
Адепты отечественной системы подготовки инженеров утверж-
дают, что хороший российский инженер заткнет за пояс любого
зарубежного коллегу. «Наш», - говорят они, - «отлично знает и то, и
это, и пятое и десятое, а на Западе - хоть и досконально, но лишь or
сих и до сих».
Скорее всего, дело обстоит именно так. Но системный парадокс
таков, что подчас система, состоящая из простых (даже примитивных)
элементов, может оказаться эффективнее той, которая образована
сложными элементами. За примерами далеко ходить не надо. Возь-
мите армию: когда надо не обсуждать, а неукоснительно выполнять
приказы, предписания вышестоящего начальника, «интеллектуалы»
чувствуют себя неуютно, не могут реализовать свои особые способ-
ности, которые оказывается не просто невостребованным, а даже
могут осложнить ситуацию.
Успех дела в инженерии определяется не только образованнос-
тью, талантливостью участвующих в этом деле специалистов, но и
тем, как их деятельность соорганнзована. в какую структуру более
высокого порядка она включена.
Поэтому когда мы ведем речь об интеллектуальных ресурсах
инженерной деятельности, о специально подготовленных для этой
деятельности людях, тот мы понимаем, что эта подготовка должна
бы гь ориентирована на эффективную технологию деятельности.
В литературе по маркетингу, ПК ( Human Resources)-TexHonornaM.
достаточно широко используется понятие интеллектуального капитала
компании. В (л. 38) его структура представлена следующим образом
(рис. 9).
Рядоположенност ь орган» зационной и л и иноеп юй сое i авляющих
в этой структуре говорит сама за себя.
Думается, весьма уместно привести здесь предложенную в (л. 44)
модель социально-профессиональной компетентности специалиста.
-45-
Рис.9. Структура интеллектуального капитала компании.
Компетентность рассматривается как то интегральное качество, кото-
рое должно быть сформировано у человека в результате образования
и которое-то и позволит ему успешно выполнять производственные
задачи, взаимодействовать с другими людьми.
Указанная модель включает четыре компоненты (рис. 10)\
базовую (назовем се интеллектуальной), определяющую уро-
вень выполнения выпускником вуза таких умственных операций, как
анализ, сопоставление, сравнение, систематизация, прогнозирование,
синтез и принятие решений,
личностную, определяющую такие характеристики личности
молодого специалиста, как ответственность, организованность (внут-
реннюю упорядоченность), целеустремленность, креативность,
Интеллектуальная Личностная
Составляющие компетентности
молодого специалиста
Социальная Профессиональная
Рис. 10. Колтетецпшостная миоель специалиста.
-46-
• социальную, характеризующую гражданскую зрелость выпус-
кника вуза, его адекватность во взаимодействии с другими людьми,
группой, коллективом, ориентацию на сотрудничество, умение ру-
ководить и подчиняться, следование в своем поведении ценностям
бытия, культуры, способность выстраивать и реализовывать линию
саморазвития.
профессиональную, определяющую цодготовле! шесть к успеш-
ному выполнению профессиональной работы, умение решать професси-
ональные задачи по специальности, находить решения в нестандартных,
проблемных ситуациях, оперировать с информацией.
А чтобы подчеркнуть сколь важны для специалиста способности
и навыки (владение технологией) эффективным образом включаться,
встраиваться в работу коллектива, приведем здесь представленный
крупной нефтяной компанией США «Амоко» на Третьем коллоквиуме
инженеров нефтяников (США, Колорадо, 23-28 июля 1995 г.) перечень
14-ти важнейших, по мнению компании, личностных характеристик
современного инженера (табл. Г).
Таблица 1
Engineer dimension coverage grid
1. Initiative 1. Инициативность
2. Teamwork 2. Способность работать в команде
3. Judgement/Decisiveness 3 .Рассудителность/Решимость
4. Adaptability 4. Способность адаптироваться
5. Analysis 5. Способность анализировать
6. Tech/Prof knowledge 6. Тсхн/Професс. Знания
7. Ability to learn 7. Способность учиться
8. Leadership 8. Качества лидера
9. Workstandards 9. Рабочие стандарты
10. Job Motivation/Fit Ю.Мотивация в работе/ Способность переключаться .
11. Oral Communication 11. Устное общение
12. Planning and Organizing 12. Планирование и организация
13. Trouble Shooting 13. Улаживание конфликтов
14. Written Communication 14. Письменное общение
-47-
Как видно из приведенной таблицы, по мнению менеджеров
компании, специалисту, не обладающему способностями «работать
в команде», адаптироваться к различным ситуациям, возникающим
в коллективе, избегать и улаживать конфликты, умением общаться с
коллегами, непросто добиться успеха на инженерном поприще.
О финансовых средствах инженерной деятельности много го-
ворить не будем. Общественно значимая деятельность не бывает для
общества бесплатной. Это очевидно.
Заданиями на дипломное проектирование студентам практически
всегда поручается произвести расчет затрат на создание ТО. ценить
экономическую эффективность. И они это делают, и делают вполне
грамотно. II то, что затевать какое либо инженерное дело при недо-
статке средств — занятие малоперспективное, это выпускники вузов
хорошо усваивают еще на студенческой скамье. Но что интересно: на
практике они по большей части именно этим и сталкиваются.
И когда люди жалуются на низкое качество тех или иных ТО. хотя
бы тех же автодорог, то в ответ часто слышат ссылки на недостаток
финансирования. (Есть даже такой термин - недофинансирование).
Обсуждать, почему денег на создание ТО создателям всегда не
хватает, не входит в нашу задачу. Отметим лишь, что инженерная
деятельность - открытая система, взаимодействующая с другими
системами жизнедеятельности общества, и через это взаимодействие
в нее подчас вносятся не только необходимые стимулы и ресурсы, но
и существенные помехи.
Завершая рассмотрение вопроса о средствах инженерной деятель-
ности. необходимо обратить внимание на их взаимосвязанность. По-
явление новых технических средств, в частности компью терной тех-
ники, систем коммуникаций ведет к соответствующему расширению
арсенала информационных средств, появлению новых требований к
инженерному корпусу, к уровню подготовки специалистов. И все это,
как правило, сопряжено с затратами, то есть требует дополнительных
финансовых ресурсов.
Перейдем к продукту инженерной деятельности.
Касаясь отличий инженерной и научной работы с точки зрения их
продукта, уместным будет привести примечательные слова Имману-
ила Канта: «Изобрести что-то это совсем не то, что открыть; ведь то,
что открывают, предполагается уже существующим до этого открытия,
только оно еще не было известным, например Америка до Колумба;
но то, что изобретают, например, порох, не было никому известно в
до мастера, который это сделал» (л. 50).
Эти слова великого философа вряд ли стоит воспринимав на
-48-
полном серьезс, но они помогают осознанию того, чго у науки нет
оснований ставить себя выше инженерии.
Конкретный продукт инженерной деятельности зависит от вида
инженерной деятельности. Продукт проектирования - одно, продукт
диагностики - другое, продукт испытаний - третье. Но в конечном
итоге это технические объекты, их описания и другие относящиеся
К ндм информационные материалы.
Если же говорить о продукте деятельности (работы) инженера,
то сегодня это, прежде всего и главным образом, техническая инфор-
мация, а также принятые решения в виде управленческих команд,
действий, процедур и операции. Иначе говоря, инженер производит
(порождает) техническую информацию, а также самостоятельно
совершает определенные управленческие действия (управляет штур-
валом, отдает распоряжения).
«Если одного из руководителей автомобильного завода», - пишет
Е.П. Голубков в книге «Технология принятия управленческих реше-
ний» (л. 32), — спросить, что является непосредственным продуктом
его деятельности, он ответит: «выпуск автомобилей», - и ответит
неверно. Продуктом непосредственной деятельности руководителя
является принятие грамотных решений. (Здесь уже неточность
доускает сам Е.П. Голубков, так как решения не всегда бывают гра-
мотными - В.Ш). Выпуском же конкретной продукции занимаются
те или иные исполнители на определенных рабочих местах».
Ученый тоже производит (генерирует) информацию, но инфор-
мацию другого рода - научную.
Студенты, да и не только студенты на вопрос о том, какой про-
дукт производит ицжеуер, частенько отвечают: «Он создаег машины,
механизмы, разные устройства и т.д,». Эта типичная неточность
обусловлена неразличимостью для них понятий инженерной деятель-
ности и инженерной работы;
они забывают, что машины
производятся по преимуществу
руками рабочих, что времена,
когда инженер принимал не-
посредственное участие в из-
готовлении ТО, что называется,
сам стоял у станка, миновали,
что в современном автоматизи-
рованном и роботизированном
производстве машины дела-
ются машинами.
Рис. 11. Типовое рабочее место современ-
ного инженера-нефтяника.
-49
Тот факт, что интегрированные компьютерные системы CAD/
САЕ/САМ (computer aided dezing/computer aided enginccnng/computer
aided manufakturing) позволяют сегодня инженерам-конструкторам и
технологам получать на выходе отдельные детали машин и механиз-
мов как готовые изделия без участия слесарей, токарей, фрезеровщи-
ров, строгальщиков, сварщиков и т.д, не меняет сути дела.
Характер деятельности специалистов по мере интеллектуали-
зации промышленного, в цветности, нефтегазового производства
существенно меняется.
Инженер все меньше и меньше непосредственно контактирует
с технологическим оборудованием, рычагами и задвижками. Его
рабочее место, как правило, компьютеризировано (рис. 11), а среда
профессиональной деятельности - информационная среда,
В ней он должен действовать одновременно как приемник,
хранитель, детектор, преобразователь, генератор и транслятор ин-
формации.
Иногда кажется, что цели инженерной деятельности и ее продукт
совпадают. Недаром же существует поговорка «за что боролись, на
то и напоролись».
И действительно, предположим, поставлена цель (скажем, сове-
том директоров некоторой компании) создать конкурентоспособную
буровую установку. И такую установку создали. Вопрос: разве это не
совпадение? Ответ - нет. не совпадение. Потому что исходная цель
носит общий характер, а продукт всегда конкретен. Цель - это по сути
дела модель, образ желаемого результата деятельности, (л. 44.),
Одной и той же цели могут соответствовать продукты, заметно
отличающиеся друг от друга по некоторым параметрам и характе-
ристикам. Уместно для иллюстрации этого обстоятельства привести
афоризм, рожденный не так давно, но моментально ставший обще-
известным: «хотели как лучше, а получилось как всегда».
Если бы не было многовариантности в детерминанте «цель —>
продукт», люди были бы избавлены от множества проблем, среди
которых одной из труднейших, а порой драматичнейших является
проблема выбора.
Мы уже говорили, что с течением времени трактовка вопросов,
касающихся существа инженерной деятельности, ее содержания,
форм, технологии и продукта меняется. В частности, изначальное
значение слова инженер - изобретающий человек. В словаре Ларусса
говорится «Инженер - человек, который изобретает сооружения, ма-
шины и инструменты и создает планы и чертежи, необходимые для их
изготовления» (л. 103). Иначе говоря, человек, занятый продуктивной
-50-
деятельность или творчеством, связанным либо с выработкой новых
целей и соответствующих им средств, либо с достижением известных
ц?лсй с помощью новых средств.
Сегодня же, как известно, инженеры и по образованию, и по
должности отнюдь нс всегда заняты продуктивной деятельностью.
Зачастую (в особенности в техническом обслуживании сложного
оборудования, управлении технологическими процессами) она носит
репродуктивный характер, то есть, направлена на получение извес-
тного эффекта (поддержание оборудования в работоспособном со-
стоянии ) с помощью известных средств (своевременной диагностики,
профилактики, планово-предупредительных ремонтов и т.п.).
Есть еще один вопрос, связанный с продуктом инженерной де-
ятельности. мимо которого нельзя пройти. Не так давно считалось
безусловным достижением соискателя ученой степени приведение
не всода даже и сложной математической модели того или иного
процесса к таким формулам или номограммам, с помощью которых
можно было бы производить расчеты этого процесса по простому ал-
горитму, предусматривающему использование максимум логарифми-
ческой линейки—инструмента для нынешних студентов реликтового.
Подобные алгоритмы было принято называть инженерной методикой.
Сегодня ситуация изменилась .в корне.
Предельные упрощения, полезные зачастую с точки зрения
пол) чения возможности быстрого качественного анализа процес-
са, но, как правило, связанные с потерей точности, при наличии
современных мощных средств компьютерного моделирования,
вполне доступных для инженера, уже не могут рассматриваться
как нечто абсолютно необходимое в инженерной деятельности.
То. что вчера было уделом человека науки, ученого, сегодня обыч-
ная инженерная практика, а завтра - студенческая курсовая работа.
Что означают подобные изменения? Как следует к ним отно-
ситься?
Меняются средства инженерной деятельности -меняется
технология, а с ней и решаемые инженерам задачи и продукт его де-
ятельности, то есть фактически содержание его деятельности.
Переходя к вопросу о технологии инженерной деятельности
в ее современном понимании, опять же подчеркнем, что технологии
работы инженера—это одно, а технологии инженерной деятельности
- другое.
Проиллюстрируем организационный аспект инженерной! деятель-
ности, а именно, коллективистский характер и сложную структуру
(рис. 12).
-51 -
Рис. 12. Коллективистский характер инженерной деятельности.
Создание и использование технологий и соответствующих техни-
ческих объектов — дело, в котором, как правило, участвует множество
людей, определенным образом организованных в своей деятельности,
в частности, объединенных в ряд взаимодействующих друг с другом
структур—трудовых коллективов по принятой у нас терминологии. Это
коллективы проектировщиков (проектно-конструкторская группа, отдел,
институт или инжиниринговая компания), изготовителей (мастерская,
цех, фабрика, завод, комбинат), монтажников, многочисленных посред-
ников (поставщиков энергии, сырья, материалов и оборудования, транс-
портников, трейдеров и дилеров), ремонтников (ателье, станция или база
технического (производственного, сервисного) обслуживания) и т.д.
Технология инженерной деятельности - это в первую очередь
технология со организации деятельностей как внутри указанных
структур, так и их между собой. Научная и учебная дисциплина
«project management» (управление проектами) частично рассматривает
эту технологию и мы посв-ятим ей отдельную главу. Кроме того, на
технологиях инженерной деятельности мы будем концентрировать
внимание, когда будем рассматривать отдельное ее виды.
Употребление в названии рис. 12 термина «коллективистский»
вместо «коллективный», обусловлено желанием подчеркнуть: каж-
додневная работа может выполняться инженерами и индивидуально,
вне какого либо фиксированного коллектива - многие программисты
работают самостоятельно дома. Однако эти инженеры, так или иначе,
связаны и взаимодействую г с заказчиками, коллегами, начальством и
т д.. котор ы е об разу ю 1 о пр сд елейную с л ожн о орган и зо в энную с о во-
куппость людей, участвующих в создании и использовании ТО.
-£2-
Эта организованность обеспечивается через управление инже-
нерной деятельностью. Данную функцию можно рассматривать
как компоненту технологии деятельности, характеристику процесса
деятельности. Но чтобы подчеркнуть особую роль и значимость
человеческого фактора в организации и управлении инженерной де-
ятельностью, ее процессы в их типовой последовательности в ряде
книг (л. 15) отображаются с помощью следующей схемы (рис. 13).
Рис. 13 Управление инженерной деятельностью.
-53-
§ 1.1.3 Критерии инженерности
Теперь настал черед поговорить о главном, о том при каких ус-
ловия работа инженера является инженерной по существу.
Среди лиц, которые в каждом из указанных на рисунке 12 кол-
лективов, структурированных иерархически, имеют отношение к ТО
(ТО в широком смысле, вк лючая технологи их применения, проектно-
конструкторскую документации и т.д.), есть, как известно, инженеры и
не инженеры, руководители и подчиненные, одни - принимающие ре-
шения, за которые несут ответственность, другие - их исполняющие.
При этом не редкость, когда у работников, занимающих должности
специалистов, нет высшего профессионального образования по тому
направлению, по которому они работают, и наоборот, некоторые ра-
ботники с инженерным образованием занимают должности рабочих
и техников.
Как же выделить из. этой совокупности тех работников, кто
действительно занимается инженерной работой?
Не станем претендовать на то, чтобы дать безупречную формули-
ровку критериев инженерной работы. Будем исходить из достаточно
простых соображений, 3 основе которых лежат здравый смысл и
традиции.
Лица, участвующие в создании и использовании ТО, по роду
своей работы занимаются определенными вопросами (задачами,
проблемами) и принимают решения.
Вопросы разные. Они отличаются, во-первых, предметом: одни
решают экономические и финансовые вопросы, другие—организаци-
онные, третьи снабженческие, четвертые—технические и т.д., во-вто-
рых, степенью сложности, в третьих, степенью ответственности,
которую несуг те, кто готовит и кто принимает решения.
Вообще говоря, мера ответственности может быть включе-
на в критерий сложности решаемой задачи. Однако, мы по двум
причинам выделяем ответственность в самостоятельный критерий
различия решаемых вопросов.
Во-первых, как это хорошо известно, даже относительно простые
задачи, характеризуются неоднозначностью решений, и работники,
на равных участвовавшие в поиске этих решений, не в одинаковой
мере отвечают за то, какой именно вариант будет принят из множества
возможных или предложенных. Попросту говоря, в поиске решений
зачастую участвуют многие, в том числе и в качестве советников
(или советчиков), но кто-то один несет иди берет на себя ответствен-
ность.
-54-
Во-вторых, способность решать сложные задачи и способность
осознавать и нести ответственность за принятые решения - эти су-
щественно различные человеческие способности, развиваются они
по-разному: одна — преимущественно с помощью обучения, другая
- преимущественно посредством воспитания.
На вопрос, что может служить мерой сложности вопроса, мы
ответим так.
Сложность технической задачи - понятие многомерное, и мы не
разделяем той часто высказываемой точки зрения, что под сложностью
следует подразумевать «количество творчества, креатива, интеллек-
туальной мощи», необходимых для ее решения.
Инженер отличается от чистого изобретателя, от людей так на-
зываемых творческих профессий тем., что ему надо решить постав-
ленную перед ним задачу не вообще, а в конкретные, как правило,
жесткие сроки. И не в уединении, в доме творчества в живописной
местности и по вдохновению, а на своем рабочем месте в обстановке,
далеко не всегда комфортной и располагающей к творчеству. И эти
факторы нельзя не учитывать, когда мы пытаемся охарактеризовать
его деятельность (работу), в частности, ее сложность.
Тем не менее, в подавляющем большинстве книг, в том числе и
учебного характера, и других публикациях по вопросам инженер-
ной деятельности эта деятельность отождествляется с инженерным
творчеством. Творчество рассматривается как основной критерий и
содержательная компонента «инженерности».
Ни на йоту не отрицая главенствующей роли творчества в де-
зстельности инженера, мы все же видим в этом определенный перекос,
умаление значимости организационных аспектов, игнорирование ее
рамок, регламентации и нормирования.
Подготовленность инженера к решению нетривиальных тех-
нических задач, в том числе в жестком временном регламенте, (при
управлении технологическими процессами - подчас в течение долей
секунд), с пониманием своего места и своей ответственности в системе
деятельности трудового коллектива, иначе говоря, его компетентность,
обеспечивается в первую очередь или должна обеспечиваться его
профессиональным образованием.
Значит, мерой сложности задач, достойных того, чтобы поручать
их решение инженеру, может служить тот уровень образования, в
целом та профессиональная подготовка, которую должны получать
выпускники вуза.
Наличие у инженера опыта практической работы, полученное им
дополнительное послевузовские образование - все это, разумеется,
-5,5-
расширяет в сторону увеличения диапазон сложности задач, решать
которые ему под силу. Но нижнюю границу этого диапазона, на самом
деле, размытую, нечеткую, можно задавать исходя из того усред-
ненного уровня компетентности, которая обеспечивасюя вузовской
образовательной программой.
С учетом сказанного можно утверждать следующее
Те, на кого возложено заниматься вопросами (задачами,
проблемами):
1) напрямую связанными с созданием и использованием
технических объектов,
2) сложными в такой мере, что для их решения необходим
уровень компетентности, соответствующий определенным стан-
дартам образованности, частности, принятым нормам высшего
профессионального образования,
3) требующими как умения оценивай последствия несвое-
временности и ошибочности их решении, так и способности нести
адекватную ответственность, выполнят инженерную работу.
Приведенное утверждение является одним из ключевых в книге.
Оро кому-то может показаться банальным. И вправду, ту работу,
связанную с созданием и использованием ТО, где оказываются востре-
бованными приобретенные молодым специалистом в вузе профессио-
нальные знания, навыки и умения, иначе говоря, его профессиональная
компетентность, он. бесспорно, имеет основания рассматривать как
инженерную. Однако, подчеркнем еще раз: компетенции инженеров,
техников, операторов, менеджеров пересекаются. Уровени компетент-
ности выпускников вузов не одинаковы. Поэтому цх опенка соответс-
твия выполняемой работы квалификации, указанной в полученных
ими дипломах, носит субъективный характер.
Нам же необходим по возможности объективный критерий
оценки «инженсрности» выполняемой инженером работы, и в качес-
тве такового мы предлагаем ее сложность, соответствующую обще-
принятым (например, государственным) стандартам инженерного
образования.
Еще одно замечание по поводу сложности инженерных задач.
В (л. 13) их сложность увязывается с мерой естественного «энтро-
пийного сопротивления среды» новациям. Эта позиция основывается
на том. что любые нововедспия, вносимые в систему деятельности,
неважно какой конкретно, нарушают ее сложившуюся упорядочен-
ность, стабильность. А потому система в большей или меньшей
степени i ipoi । гвится j iм.
-56-
С подобной точкой зрения можно согласиться, если иметь в виду
не работу отдельно взятого инженера, особенно молодого специалиста,
а в целом деятельность по реализации, продвижении некоторого инно-
вационного проекта. Мы же говорим о критериях, по котором м можно
судить о том,является или нет выполняемая конкретным специалистом
работа инженерной по своему содержанию, по своему существу.
Теперь поясним, что подразумевается под прямой (или непос-
редственной) связанностью инженерной работы с созданием и ис-
пользованием ТО.
Имеется в виду, что инженер должен быть занят разработкой
таких вопросов, поиском (организацией поиска), подготовкой или
оценкой, проверкой (в экпертизе) таких решений, которые могут быть
воплощены и воплощаются, если их не отвергают, в функциональной
структуре, принципах действия, конструкции (облике), параметрах и
характеристиках ТО, в технологии его изготовления, применяемых при
этом материалах, в программах и методиках испытаний, в эксплуата-
ции и техническом обслуживании ТО, при ремонте и утилизации.
Особо следует сказать о сложности задач, решаемых на стадии
эксплуатации ТО. Для того, чтобы управлять обычным автомобилем
или автобусом, высшее техническое образование, как известно, не
обязательно, а самолетом или океанским лайнером - обязательно.
Сложность здесь определяется ле только степненью ответственности,
уровнем рисков, ио сложностью самого объекта, необходимостью
при острейшем дефиците времени обрабатывать большой объем
разнородной информации, принимать решения в условиях высокой
неопределенности ситуации.
Итак, основные критерии «инженерности» деятельности
(работы) специалиста мы определяем следующим образом - это
взятые в совокупности (рис. 14):
1) непосредственная ее направленность на создание и исполь-
зование технических объектов,
2) уровень сложности решаемых при этом вопросов, и
3) степень ответственности за принимаемые решения.
Рис. 14 Три критерия инженерности.
-57-
Следующим шагом в анализе понятия инженерной деятельности
должна стать се классификация, иначе говоря, рассмотрение ее видов,
или в более общем плане — типологии.
С одной стороны, эта задача представляется чрезвычайно слож-
ной. Настолько, насколько трудно установить рамки для инженерной
деятельности, настолько же трудно отнести тот или иной конкрет-
ный вид деятельности, к исключительно инженерной. Например,
прогнозирование. Оно может быть видом научной деятельности
(прогнозирование вулканической активности), но этим занимаются и
инженеры, в частности специализирующиеся в области надежности
машин и оборудования. То же можно сказать о программировании,
мониторинге, диагностике.
С другой стороны, существует точка зрения, что
большинству видов инженерной деятельности можно, так
или иначе, свести к проектированию,
В частности, проектируется и сама деятельность, и этим за-
нимаются не только инженеры в привычном для нас понимании,
НО и специалисты в области социальной психологии, методологии.
Менеджмента.
Проблема классификации - одна из общенаучных и общемето-
дологических проблем.
Различают три типа задач классификации (л. 59):
• первый, когда известные объекты распределяются по конечно-
му числу групп, каждая из которых определяется схожестью объектов
по одному или некоторой совокупности признаков (например, людей
различают по принадлежности к определенной расе, мужскому или
женскому полу, той или иной возрастной группе, весовой категории
и т.д),
• второй, когда речь идет об идентификации (узнавания неиз-
вестных объектов, иначе говоря, распознавании образов),
• третий, связанный с унификацией и стандартизацией.
По отношению к типологии инженерной деятельности одновре-
менно приходится решать классификационные задачи всех указанных
типов.
В такой ситуации имеет смысл ограничиться подробным рассмот-
рением видов инженерной деятельности, которые являются наиболее
типичными для тех, ktq начинает свою трудовую деятельность в
качестве инженера.
-56-
§ 1.1.4 Цикл жизни ТО и типология инженерной деятельности
Основные виды инженерной деятельности приводятся в явном
или неявном виде в государственных нормативных документах,, опре-
деляющих квалификационные требования к специалистам с высшим
техническим образованием. В качестве примера приведем фрагмент
утвержденной в 1989 1 Учебно-методическим объединением по ие-
ф[ стазовому образованию Минобразования Российской Федерации
Государстрешюго квалификационной характеристики инженера-
механика по специальности «машины и оборудование нефтяных и
газовых промыслов».
В разделе характеристики, имеющем название «Профессиональ-
ное назначение и условия использования специалистов», указывается,
что данный специалист подготовлен для работы в машинострои-
тельных, нефтегазовых нефтехимических, и других отраслях про-
мышленности: вузах, научно-исследовательских институтах (НИИ),
конструкторских бюро (КБ), производственных объединениях (ЦО),
научно-производственных объединениях (НПО) и промышленных
предприятиях на первичных должностях инженера участка, цеха,
или отдела на ремонтно-восстановительных заводах, мастера учас-
тка или цеха, старшего инженера, младшего научного сотрудника
в проектных и научно-исследовательских институтах, стажера или
ассистента в вузах в соответствии с типовыми номенклатурами
должностей, замещаемых специалистами с высшим образованием.
Далее приводится таблица основных видов деятельности инженера-
механика, имеющего указанную специальность, а они в этой таблице
увязываются с этапами жизненного цикла ТО (табл. 2.). Каждом}'
из указанных в таблице видов деятельности ставится в соответствие
типовые инженерные задачи.
В действующих государственных образовательных стандартах
(ГОСах) — нормативных документах, пришедших на смену квали-
фикационным характеристикам, уже нет указания на конкретные
должности, которые могут занимать молодые специалисты, но в от-
ношении видов профессиональной деятельности сохраняется полная
преемственность.
Уже одно это делает указанные нормативные документы вполне
содержательными. Однако, способными запутать не только студентов,
но и профессуру.
Действительно, в упомянутых нормат ивных документах высшей
школы отсутствует единообразие как в терминах, касающихся видов
инженерной деятельности, так и в их трактовке. Так. в ГОСе первого
-59 -
поколения по специальности 170200, утвержденного Минобразова-
нием РФ в 1994 году, указано, что молодой специалист должен быть
способен выполнять следующие виды деятельности: проектно-конс-
трукторскую, организационно техническую, 'жсплуатационную и
э ксп ериментачьно-иссл ед оватея иску >ю.
Таблица 2
Основание для определе- ния вида Деятельность Деятельность Предприятие Должность
Шифр Вид
1 2 3 4 5
1. Этапы жиз- ненного ник- ла машин и оборудования нефтяных и газовых про- мыслов
1.1. Исследо- вание И Исследова- тельская II ИИ. п р о - ектныс орга- низации КЁ, отраслевые лаборатории Младший научный сотрудник, научный со грудник, инженер- механик. инженер по внедрению новой тех- ники и технологий, инженер по наладке и испытаниям
1.2. Проекти- рование п Проектно- ко нструк- торская проектно- констру югор- ские органи- зации, КБ конструктор, ипженер- КОНСТруК! ор
1.3. Изготов- ление и Организа- цпоннотех- нологичес- кая заводы, базы произволе - твенного об- служивания, производс- твенные под- разделения НЛО механик, механик смены, участка, цеха, производства, мастер смены, контрольной службы, участка, ин- женер по качеству мет- рологии
-60-
Окончание таблицы /.
Основание для о пре зеле- нил вида Деятельность Деятельное!ь Предприятие Должность
Шифр Вид
1 2 О э 4 5
1 4. Эксплуа- тация Э Эксплуата- ционная Производс- твенные ор- ган изации, предприятия по добыче нефти и газа, управления буровых ра- бот Инженер по наладке и испытаниям, ремонту, техническому надзору, охране труда и технике безопасности, внед- рению новой техники и технологии, мастер буровой, бурильной установки, по эксплу- атации и ремонту обо- рудования, сложным работам в бурении, опробованию скважин, механик по ремонту
2. Подготовка и переподго- товка У учебно-ме- тодическая ВУЗ, техни- кум, ПТУ, Предприятие ассистент, зав. лабо- раторией. мастер про- изволе таенного обу- чения
Аналогичный же ГОС ддя специальности «Морские нефтегазовые
сооружения» не требует подготавливать инженера к экперименталь-
но-исследователъской деятельности, а вместо организационно-тех-
нической и эксплуатационной деятельности предусматривает произ-
водственно-управленческую и производствеицо-технологическузо.
Кроме того, основные виды инженерной деятельности: проек-
тирование, управление технологическими процессами, техническое
обслуживание, диагностика, ремонт, испытания и проч, связываются
с циклом жизни ТО, с теми этапами, которые можно выделить на
временном отрезке, обозначаемом этим понятием.
Понятие цикла жизни ТО действительно является сущес-
твенным с методологической точки зрения, но оно в технической
литературе четко не определяется и, следовательно, эта связь не
вполне ясна.
В подтверждение возьмем хотя бы такой вопрос: коль скоро еще
только проектируемый обьект-это уже некий объект, что считать ис-
-61 -
ходным моментом в проектировании, когда, па каком этапе осущест-
вляется «зачатие» технического объекта, при котором формируются
важнейшие его потребительские характеристики, иначе говоря, где
начало е цикле жизни ТО?
Отвечая на данный вопрос, авторы первого отечественного учеб-
ника по управлению проектами (л. 108) пишут, что «однозначности в
этом вопросе нет, что иногда это момент рождения идеи, особенно
если ее рождению предшествовал скрупулезный поиск». Но, напри-
мер, идея прорыть тоннель под Ла-Маншем существовала за сто, если
не за тысячу дет до начала проектирования того тоннеля, который
был введен в эксплуатацию в 1995 году. Подобных примеров можно
привести массу, и вопрос остается без ответа.
Значимость его обсуждения, как правило, представляется буду-
щим инженерам сомнительной, ему и в учебниках практически не
уделяется внимания, впрочем, точно так же, как и вопросу, где в цикле
жизни ТО должна быть поставлена завершающая точка.
Типичный ответ на этот вопрос, даваемый не только студентами,
но и состоявшимися специалистами, — когда использование ТО по
назначению становится невозможным или бессмысленным (в силу,
например, исчерпания ресурса, иди списания по причине морального
устаревания, или неустранимой неисправности).
Но это принципиально неверно. Есть еще и такой этап в цикле
жизни ТО, как утилизация (л. 95). Когда мы говорим о цикле жизни
человека, то тысячелетняя культурная традиция предписывает считать
завершающим актом в этом цикле его захоронение. Не будем касаться
религиозных и нравственных оснований этой традиции. Оставлять
незахороненными покойников недопустимо в первую очередь с эко-
логической точки зрения.
Нс включать в цикл жизни ТО утилизацию после полного исчер-
пания его ресурса - грубая ошибка.
В ГОСтах, относящихся к системотехнике и касающихся жизнен-
ного цикла систем, утилизация как завершающий этап этого цикла,
естественно, наличествует (л.34). И в учебной и научной литературе,
посвященной системному инжинирингу-деятельности, почему-то по
преимуществу связываемой с информационными технологами (л. 15),
вопросам утилизации отработавших и по этой причине разрушенных
систем уделяется внимание.
Но будущие инженеры-механики, технологи, буровики системо-
технику в вузах не изучают и про утилизацию тех объектов, с которыми
им предстоит иметь дело, частенько забывают.
Сильное и одновременно тягостное впечатление произвел на
-62-
автора «рукотворный город-остров нефтяников «Нефтяные камни»
па Каспии Ему довелось побывать там в середине восьмидесятых
годов со студентами в качестве руководителя производственной
практики Находящиеся «в середине моря» многокилометровые забро-
шенные» подвергшиеся жестокой коррозии металлические эстакады
с площадками для буровых установок ассоциировались с Зоной из
знаменитого фильма А. Тарковского «Сталкер», снятого по роману
братьев Стругацких «Пикник на обочине». Было понятно, что когда
город проектировали, не подумали, что с ним будет и что делать с
тысячами тонн металлоконструкций, когда в этом районе прекратится
нефтедобыча.
Другой аналогичный пример - кладбища битых автомобилей у
постов ГИБДД на крупных автомагистралях. Нагоняя на водителей
страх, леденящий душу, эти кладбища отнюдь не содействуют укреп-
лению у них уверенности, спокойствия за рулем, скорее наоборот,
и, следовательно, никак не способствуют повышению безопасности
движения на дорогах.
А вот что по поводу утилизации пишет академик Б.В. Литвинов:
«В настоящее время выявился недостаток, присущий практически
всем осуществленным проектам, независимо от того, в какой стране
они были выполнены. Этим недостатком является то, что проекти-
ровщики, выполняя проект, не решали проблему утилизации и лик-
видации проектируемого объекта.
Разрушающееся здание уже неработающего завода, почерневшие
и ржавеющие остатки шахтных копров, полузатонувшие ржавые суда
в портах иди остатки железнодорожных путей и вагонов - все это
памятники недоработанным инженерным проектам, украшающие
почти все страны мира», (л. 59).
Думается, что в число критериев оценки ТО наряду с характе-
ристиками производительности, надежности, долговечности, эрго-
номично, экономической эффективности и т.п. во многих случаях
необходимо включать и его утилизационные характеристики (какие
именно - это уже вопрос, который требует специального обсуждения
в каждом конкретном случае). Нам, безусловно, удастся ослабить
техногенное воздействие на окружающую среду, если мы на стадиях
проектирования и изготовления ТО будем думать о его утилизации
как завершающем этапе цикла жизни и решать соответствующие
вопросы тогда, а не потом.
Из общих инженерных курсов, таких, как «Детали машин», «Ос-
новы теории надежности» студентам хорошо известно о «генетичес-
кой» связи эксплуатационных характеристик машин и оборудования,
-63-
в частности безотказности, долговечности, контроле- и ремонтопри-
годности с их конструктивными особенностями, то есть с решениями,
принятыми еще на стадии проектирования. И в части утилизации ТО
положение вещей может быть аналогичным.
В деятельностном аспекте указанная «генетическая» связь
означает, что конкретная практическая работа специалистов в
области технического обслуживания, диагностики, утилизации
нефтепромысловых, буровых или каких либо других видов машин
в немалой степени предопределена предшествующей деятельнос-
тью инженеров- проектировщиков этих машин.
Отсутствие соответствующей масштабам промышленного
производства индустрии утилизации, обусловлено не только эконо-
мическими причинами, но и ментальностью инженерного корпуса,
недостаточным видением всего поля инженерной деятельности,
пробелами в методологической подготовке.
Рассмотренные выше обстоятельства затрудняют адекватное
восприятие квалификационных характеристик, фрагмент одной из
которых был приведен. Складывающиеся у студентов в процессе
обучения представления о сущности инженерной деятельности и ее
конкретных видах по указанным выше причинам не могут не носить
расплывчатый характер и формируются по существу на интуитивном
уровне.
В учебной и справочной литературе (л. 75) встречается утверж-
дение, что проектирование начинается с разработки технического
задания (ТЗ).
Но, во-первых, учебная программа вузов слабо ориентирована на
приобретение студентами опыта этой работы. Они ограничиваются,
как правило, выполнением последующих этапов проектирования,
полагают, что ТЗ «спускает» сверху начальство, и дело инженеров
— реализовывать ТЗ, а не обсуждать, корректировать или даже ис-
правлять его.
А, во-вторых, на самом деле, разработка ТЗ — отнюдь не первый
этап в проектировании.
Реальная практическая работа по составлению ТЗ как обя-
зательного проектного документа обычно начинается, когда
некоторые существенные моменты концепции проектируемого
ТО, отражаемые в Т3,уже определены на так называемой стадии
предпроектных исследований, и мни моменты могут предопреде-
лить успех или неуспех будущего использования ТО.
В последующих параграфах это будет проиллюстрировано на
конкретных примерах. Подчеркнем, что потребность в усилении
-64 -
внимания к вопросам «генезиса» технических объектов, их цикла
жизни, связана во многом именно с тем, что по мере внедрения п со-
вершенствования средств компьютерной поддержки проектирования
востребованность интеллектуального потенциала инженера будет
все в большей и большей мере смещаться к начальным стадиям
проектирования, ибо задачи, решаемые на этих стадиях, наиболее
сложные и ответственные.
Мы условились деятельность инженера трактовать как деятель-
ность. связанную созданием и использованием ТО (в том числе через
управление этими процессами), и характеризующуюся решением
таких вопросов, степень сложности которых и налагаемая на испол-
нителя этой работы мера ответственности гребуют, чтобы уровень его
подготовки соответствовал нормам (стандартам) высшего професси-
онального образования.
II основные виды инженерной деятельности, как следует из
квалификационных требований к выпускнику инженерного вуза
- это. во-первых, обеспечивающие создание ТО: проектирование,
изготовление и испытания, во-вторых, обеспечивающие исполь-
зование ТО: техническое обслуживание, эксплуатация и утилиза-
ция, и в третьих, относящаяся и к созданию, и к использованию
ТО: организационно-управленческая деятельность (менеджмент)
{рис. 15).
К указанным видам можно добавить программирование и пла-
нирование, стандартизацию и сертификацию ТО, экологический
мониторинг и инженерный маркетинг.
Увязывание видов инженерной деятельности (также и работы) с
этапами жизненного никла ТО - общепринятая норма в методологии
то
этапы (фазы) никла жизни
ут । ия
ПрстсКП«П
упрвдлеи нс
гсхиоли ги чей к ([ М
jipULEWCOM
мепедокметгт
Рис. 15. Многообразие видов инженерной деятельности.
-65 -
инжиниринга. Представленные ниже две схемы (рис. 16 и табл.З),
содержащиеся в уже упомянутой книге профессора В. Блэнчарда
(л. 15), иллюстрируют, как подходят к этому вопросу зарубежные
методологи. Мы сочли целесообразным в точности воспроизвести
здесь эти схемы и в скобках дать наш перевод содержащегося в них
английского текста.
Рис. 16. Процесс разработки, производства и использования систем.
-66-
Таблица. 3. Системный инжиниринг на этапах жизненного цикла ТО
-67-
В последующих главах мы обсудим цели, средства, технологии
И продукты каждого из основных видов деятельности.
Но прежде, чем перейти непосредственно к рассмотрению этих
вопррсов с позиций использования современных информационных
технологий, остановимся еще раз на принципиальном для всего пос-
ледующего изложения вопросе о соотношении понятпй инженерной
деятельности и инженерного творчества.
-68-
§ 1.1.5 Инженерная деятельность и инженерное творчество
Безусловно, хороший, квалифицированный инженер-творческая
личность, и развитие способности к творчеству, творческого по-
тенциала, — быть может, главная задача инженерной подготовки
(л. 24).
Но работа инженера не всегда носит творческий характер в при-
вычном понимании. И в том, что «надо специально обсуждать место
и соотношение творчества, изобретательства, решения технических
задач, рутинной работы в деятельности инженера», мы вполне со-
лидарны с проф ЮЛ- Казанским, статью которого уже цитировали
выше (л, 49).
Студенты постоянно слышат оз? преподавателей, что инженер
должен быть творческим человеком. Это утверждение, кажущееся
многим очевидным, представляется не просто банальным, а малосо-
держательным. Что значит должен. Должен от природы или обязан
научиться? Если обязан научиться, научите или скажите как. Если
имеются в виду способности изобретать, тоже есть от чего забеспо-
коиться, поскольку изобрести нечто путное удается далеко не всем
инженерам. II потом: как и кем решается, творческий человек инженер
имярек или нет?
Вроде бы невинное утверждение, «что многие инженеры, не
умея ставить и решать творческие задачи, вынуждены заниматься
утомительной и неинтересной работой» (л. 77) на самом деле является
определенным искажением истины, Ибо они вынуждены по большей
части не потому, что не умеют, а потому, что рутинная работа имма-
нентно присуща инженерной деятельности.
Безусловно, прав академик Б.В. Литвинов, когда говорит в своих
лекциях по основам инженерной деятельности, что «студентам надо
знать и суровую правду жизни, которая заключается в том, что твор-
чества как такового в инженерной деятельности гораздо меньше, чем
текущей (деятельности - В.Шд и, чего греха таить рутинной инже-
нерной работы: выпуск программ, чертежей, протоколов испытаний,
их согласование с другими специалистами, предъявление чертежей
или материалов проекта на всевозможные виды контроля и эксперти-
зы.., Все это является необходимым, почти каждодневным атрибутом
инженерной деятельности, и все это надо выполнять, то есть быть не
только и нс столько творцом, сколько добросовестный исполнителем
в большом коллективе тебе подобных».
По какому критерию интеллигенцию в России делят на техничес-
кую и творческую, относя к первой инженеров и ученых, а ко второй
-69-
- художников, музыкантов, актеров, писателей и т.д.? Думается, имен-
но по удельному весу творческого процесса в создании продую ов их
деятельности.
Увы, рутинная составляющая в работе представителей техничес-
кой интеллигенции присутствует пока еще в существенно большем
объеме, чем у деятелей искусства.
Творческое начало в человеке, изобретательность, воображение,
продуктивная оригинальность интеллекта и мышления человека,
обозначаемые модным термином «креативность», являются, как
указано в (л. 95), следствием нейродицамической неустойчивости
мозга и поэтому наличествуют в той или иной мере у всех люден,
Под влиянием различных, в том числе и внешних обстоятельств оно
может получить развитие или, нооборот, подавляться.
О творчестве вообще и инженерном, в частности, написано много
(на самом деле сказать это—значит идти против истины: о творчестве
написано гораздо больше), тем не менее, П. Хилл в своей известной
книге «Наука и искусство проектирования» (л. 105) пишет, что не
существует какой-либо формулы творчества, О чем же тогда идет
речь?
Попытаемся разобраться.
На первый взгляд ответ о соотношении понятий инженерной
деятельности и инженерного творчества кажется тривиальным: ин-
женерная деятельность просто-напросто включает в себя инженерное
творчество. А оно, как утверждается в (л. 95) есть «деятельность по
порождению качественно нового, никогда ранее не бывшего содер-
жания».
В соответствии с этим к задачам технического, в том числе и ин-
женерного творчества действительно относят задачи, заключающиеся
в поиске новых подходов, способов и средств улучшения ТО по тем
или иным критериям, а также в создании принципиально новых ТО
(л. 107).
Однако сводить творческую деятельность исключительно к
решению подобного рода задач, то есть, в конечном счете, к изобре-
тательству и рационализации неправомерно. И вот почему.
Самостоятельно найденное инженером новое решение той или
иной технической проблемы или задачи может быть объективно
новым, то есть действительно не известным ранее, не имеющим
аналогов в инженерной практике, а может оказаться новым лишь для
этого инженера (возможно, коллектива, в котором он работает) и
даже относящимся к категории решений, которые квалифицируют
как «изобретение велосипеда».
-70-
Последнее случается достаточно часто, в основном вследствие
отсутствия у изобретателя полной информации об имеющихся раз-
работках в соответствующей предметной области, ио иногда и в силу
недостаточной компетентности, пробелов в его образовании.
Как известно, существуют различные службы патентной эк-
спертизы, призванные, в частности, выявлять «повторные» изоб-
ретения цз числа официально заявляемых, а в некоторых крупных
проектно-конструкторских организациях имеются специальные
подразделения, оценивающие «патентную чистоту» разрабатываемых
конструкций.
С точки зрения общественно
значимого результата «изобрете-
ние велосипеда» - занятие, быть
может, и бесполезное, но оно не
перестает от этого быть актом
творчества (рис. 17).
Поэтому объективная новизна
продукта инженерной работы вряд
ли может служить главным крите-
рием творчества.
Попытаемся посмотреть на
инженерное творчество с другой
стороны.
Решая связанные с созданием
и использованием ТО проблемы
и задачи, инженер выполняет не-
которые процедуры, которые можно разложить на операции, а те в
свою очередь - на отдельные действия,
(Стоит заметить, что расчленение сложной системы на отдельные
составляющие, элементы, звенья, то есть декомпозиция является
одним из общих методологических подходов к изучение подобных
систем).
Ниже уточним, что следует понимать под задачей, а что - под
проблемой, что понимается под процедурой, а что - под операцией.
Пока же ограничимся пониманием этих терминов на интуитивном
уровне.
В уже неоднократно упоминавшемся учебном пособии
А.П, Половинкина «Основы инженерного творчества» (л. 77) инженер-
ные задачи подразделяются на творческие и рутинные. Об их отличии
друг от друга можно судить по приведенной в книге табл.4.
-71 -
Таблица < Отличие рутинных задач и творческих инженерных
проблем
Характеристики Инженерные задачи и проблемы
Рутинные Творческие
Четкая постановка задачи Имеется Как правило, отсутствует
Мезод или способ решения Известен Не известен или требует уточне- ния
Обучающий пример Имеется Отсутствует
Результат решения задачи Как правило, однозначен Как правило, неоднозначен
Наряду с термином «рутинные задачи» будем использовать тер-
мин «формализованные или формальные задачи». Во-первых, слово
рутина носит очевидную эмоциональную окраску, отражает негатив-
ное отношение к соответствующей работе, Во-вторых, речь по сути
дела идет о задачах, для решения которых имеются или могут быть
разработаны такие процедуры и операции алгоритмы, программы,
методики, при использовании которых результат решения будет прак-
тически одним и тем же, независимо от того, кто конкретно выполнял
это решение. Кстати говоря, в (л. 77) «рутинная задача» именно д
определяется как задача, которая полностью формализована.
Коль скоро творческие задачи (точнее, проблемы), очевидно, не
попадают в категорию рутинных, или формализованных, то, следо-
вательно. с полным основанием мы может принять, что творческие
задачи - это не формализованные или неформальные задачи.
И тогда получается, что инженерное творчество - это деятель-
ность, связанная с решением любых неформализованных (нефор-
мальных) или плохо формализованных инженерных задач.
Оно может быть посвящено формализации задачи, выбору и
уточнению цели, ее четкой постановке, поиску наилучшего или хотя
бы какого-нибудь способа (варианта) ее решения и т.д.
В любом случае творчество сопряжено с поиском ответа на воп-
рос, со стремлением (осознанным или неосознанным) найти решение
или пузь решения проблемы или задачи, которые другие, подчас, и
не видят.
-72-
Для полноты характеристики творческих инженерных задач в
приведенную выше таблицу можно добавить еще одну строку под
названием «оценка результата».
Результат решения формализованных задач может быть
оценен в объективных категориях: «правильно - не правильно»,
«верно — не верно», «истинно —ложно» и т.н.;результат решения
неформальных задач, то есть творческой деятельности оценива-
ется по большей части в нечетких категориях: «хорошо — плохо»,
«удачно - неудачно», «приемлемо — не приемлемо», «оптимально
- не оптимальная,
В качестве наглядного примера формализованных инженерных
задач укажем на известную студентам-механикам задачу определения
фактических запасов прочности деталей машин и механизмов, то есть
задачу проверочного расчета этих деталей. Напомним, в частности,
задачу проверочного расчета вала зубчатого редуктора на статическую
прочность.
В чем суть этой задачи? Проектируя вал редуктора (рис. 18), ин-
женер-конструктор должен проверять, соблюдается ли для сечений
вала критерий
где нг, пп - соответственно запасы прочности по нормальным
и касательным напряжениям, [ п ] - допускаемый запас прочности,
зависящий от материала, из которого предусматривается изготовление
вала, и степени точности определения действующих в сечениях вала
напряжений (л. 43, 46).
Рис. 18. Вал редуктора.
-73-
Если указанное соотношение соблюдается, то конструкция вала
по критерию статической прочности может считаться приемлемой,
если не соблюдается, то требуется внесл и коррекд нам в конструкцию
вала (н/пли изменить материал).
Порядок проверочного расчета вполне регламентирован и
прописан в нормативных документах (отраслевых стандартах, тех-
нических условиях и т.п.). Вал рассматривается как балка, лежащая
на шарнирно-подвижных опорах и находящаяся иод воздействием
сосредоточенных сил и моментов сил.
Составляется схема nai ружения вала в двух взаимно перпенди-
кулярных плоскостях, определяются реакции опор в этих плоскостях,
последовательно вычисляются величины (строятся эгпоры) действую-
щих изгибающих и крутящих моментов, нормальных о и касательных
г напряжений, после чего определяются значения па, и и.
В отличие от проверочного расиста вала на прочность его про-
ектный расчет невозможно полностью формализовать. Уже в самом
начале мы решаем не имеющую заведомо однозначного ответа задачу:
речь идет о выборе материалу вала, определяющего допускаемые
напряжения при кручении [ т ], цо значению которых находят мини-
мальную величину диаметра вала по формуле
где Т - крутящий момент на валу, и далее разрабатывают его
конструкцию.
Ассортимент сталей, которые используют для изготовления
вала, достаточно широк (Ст.30, Ст.40, Ст.45. Ст.40Х, С1.40ХН Ст 50Г,
Ст.35ХГС и др.). Принимая решение относительно материала вала,
конструктор учитывает влияние множества факторов, стоимость,
дефицитность, наличие возможностей для требуемой термообра-
ботки и другие. Значимость каждого из них зависит от условий
проектирования ТО и во многих случаях оценивается конструктором
самостоятельно. Б том, как он это делает, как использует имеющиеся
рекомендации, известный опыт решения подобных задач, проявляется
его сметливость, интуиция, прозорливость, квалификация - одним
словом, те качества, которые нельзя запрограммировать, отразить
в типовом алгоритме или методике расчета. Принятие решения о
предпочтительном материале для изготовления вала - очевидный
творческий акт деятельности инженера (конструктора).
Можно привести и другие примеры формильных и неформаль-
ных задач и процедур инженерного проектирования. В частности, к
-74-
неформальным относятся конструкторские задачи, в частности задачи
компоновки деталей и сборочных единиц в корпусе редуктора, выбора
подшипников в опорных узлах вала, разбивки общего передаточного
отношения редуктора Задачи же построения рабочих чертежей де-
талей на основе общего вида - это типично формальные задачи, они
решаются на основе типовых однозначных алгоритмов и правил.
Если сопоставить содержание табл. 4 с рис. 6, то, можно конста-
тировать следующее: в инженерной деятельности отнюдь не всегда
ситуации таковы, что исполнителю вполне понятны цели пред-
стоящей работы, в наличие имеются все необходимые средства
и все ясно относительно технологии деятельности. (Именно эту
ситуацию принято считать задачей). Зачастую оказывается, что,
либо нет четкости в целях, либо не хватает средств, ресурсов, нет
подходящих условий для осуществления деятельности, либо не
до конца понятно, каким образом весги деятельность. Подобные
ситуации квалифицируются как проблемные, и они дают пищу
для творчества,
Отдельно следует обсудить творческую компоненту в инженерной
работе на стадии использования ТО по назначению, в частности при
управлении ТО, а щире — технологическим процессом.
Специфика решаемых в этой сфере задач - неполнота информа-
ции о состоянии объекта управления, среды, в которой он реализует
свою функцию, с которой он взаимодействует. Это особенно харак-
терно для сложных обьъектов и процессов. Инженеру - технологу,
оператору нужно постоянно в условиях неопределенности иденти-
фицировать ситуацию, определять, отклоняется ли она от штатной.
Если да, то выбирать или находить адекватные, то есть нештатные,
значит, нестандартные решения для ее выправления,
Даже когда самолет летит на автопилоте, командир обязан не-
прерывно контролировать полет, состояние самолета. Полностью
формализовать задачи управления буровой установкой, компрессор-
ной станцией, нефтедобывающими скважинами и благодаря этому
целиком возложить данную работу на робота пока не удается, и не
факт, что удастся в обозримом будущем.
Заметим в этой связи, что инновационные подходы, которые
позволят существенно повысить качество управления разработкой
нефтяных месторождений и, как следствие, увеличить извлекаемые
объемы нефти,—комплексная информатизация и интеллектуализация
нефтяных и газовых промыслов. (Термины «Smart Well» — интеллек-
туальная скважина, «е-field» - электронное месторождение прочно
вошли в обиход в нефтегазовых отраслях промышленности).
-75-
Речь идет об инновациях, связанных с:
я встраиванием во все основные технологические объекты
нефтяного промысла - скважины, насосные установки, агрегаты
системы сборам подготовки нефти и т.д. многопараметрической мик-
ропроцессорной измерительной аппаратуры и систем искусственного
интеллекта, в частности, систем распознавания., самонастройки и
саморегулирования,
• объединением их посредством различных каналов связи, в том
Числе и спутниковых, иерархическими информационными сетями,
• подключением к этим сетям трехмерной динамической гео-
лого-гидродццамичсскоймодели месторождения, уточняемой по мере
получения достоверных геолого-промысловых данных,
• созданием и также включением в информационную сеть
компьютеризированных (автоматизированных) рабочих мест - АРМов
проектировщика, промыслового геолога, геофизика, механика, тех-
нолога, мастера по добыче нефти, диспетчера по сбору и подготовке
нефти, экономиста-сметчика и др.,
• созданием системы баз данных и баз знаний по отдельным воп-
росам проектирования, технологиям разработки и управления разра-
боткой месторождений, обеспечением специалистов и руководителей
средствами компьютерной поддержки принятия решений,
• обеспечением доступа через АРМы к достижениям IT ин-
дустрии,
• реализацией на этой основе интегрированной автомати-
зированной системы управления нефтегазодобычей, получением
возможности использовать всю совокупность современных подходов
к повышении качества управления как на технологическом, так и на
организационно -экономическом уровнях.
Как подчеркивается в описании инновационной образовательной
программы губкинского университета, о которой мы уже упоминали
в этой книге (л, 26), в вышеперечисленном — ключ к кардинальному
уменьшению той неопределенности знаний о текущем состоянии
нефтегазовых месторождения, в условиях которой сегодня осущест-
вляется их эксплуатация.. Но уменьшение неопределенности, даже
существенное — не устранение ее полностью.
А, следовательно, пока не может быть речи о том, чтобы на 100%
алгоритмизировать, формализовать управление сложными объектами,
подобным нефтяному или газовому промыслу, даже насыщая их сис-
темами искусственного интеллекта. И остающееся неформализован-
ным множество задач управления - бесконечное поле для творчества
инжс1 юра-технолога.
-76-
Итак в инженерной деятельности могут быть выделены
неформальные и формальные процедуры. При этом если в реа-
лизации первых находит свое воплощение инженерное творчес-
тво, то вторые осуществляются при решении так называемых
рутинных задач и в настоящее время для этой цели разработаны
эффективные компьютерные технологии.
Здесь следует сделать оговорку. Словосочетание неформапьная
процедура, вообще говоря, внутренне противоречиво, поскольку, про-
цедура, как правило, рассматривается как составляющая некоторого
алгоритма или программы, и поэтому творческий процесс, каковым
является, например, проектирование, не вполне корректно представ-
лять последовательностью или совокупностью типовых процедур.
Отдавая отчет в этом, тем не менее, используем указанный термин,
подразумевая под ним в данном случае некоторую систему целенап-
равленных действий, а любая деятельность, творческая или не твор-
ческая, так или иначе, осуществляется через конкретные действия.
Завершая рассмотрение вопроса о соотношении понятий инже-
нерной деятельности и инженерного творчества, необходимо подчер-
кнуть следующее.
К формальным процедурам не следует подходить как про-
цедурам $<второго сорта». Они во многих случаях являются весьма
сложными, трудоемкими, Даже при наличии четкого алгоритма их
безошибочное выполнение требует от инженера сосредоточенное! и,
концентрации внимания, напряжения памяти в течение длительного
времени,
Для некоторых творческие натур такие процедуры (задачи)
становятся камнем преткновения з их повседневной работе. Хорошо
проявляя себя как генераторы идей, они оказываются, подчас, неспо-
собными работать в жестком временном регламенте, доводить задачу
до конца, проявляют небрежность, неаккуратность при выполнении
повторяющихся операций, и это, в конечном счете, негативно огража-
стся на оценке их квалификации и препятствует деловой карьере.
Молодььм специалистам важно понимать, что умение четко, без-
ошибочно и своевременно выполнять поручения, которые касаются
решения типовых инженерных задач, не требующих разработки каких
либо новых подходов, методик и т.п., всегда высоко ценится в любом
трудовом коллективе, в любой организации.
Плохо лишь, когда работник самостоятельному поиску решения
даже несложной задачи предпочитает е паразитирование» на эрудиции,
интеллекте, творческом потенциале других, иначе говоря, интеллек-
туальное иждсвенчсство.
-11 -
К сожалению, это не редкость. Автору бесчисленное число раз
приходилось сталкиваться с ситуацией, когда дипломированные
специалисты готовы полдня потратить на поиск у коллег типового
текста («балваики», «рыбы») поздравительной телеграммы из двух
предложений по случаю дня рождения кого-либо или Нового года,
вместо того, чтобы попытаться выполнить данное им элементарное
поручение самостоятельно.
В 40-60 годы прошлого столетия в нашей стране существовал
обычий задавать школьникам старших классов сочинение на тему «В
жизни всегда есть место подвигу». Перефразируя, можно сказать, что
на любой работе инженер имеет возможность проявить свои творчес-
кие, лучше в данном случае сказать креативные возможности.
Наглядный пример (из книги «Легендарный КВН» М.: Нефть
и газ, 2002): в бытность студентом автор играл "в КВН и участвовал
в выездном конкурсе, суть которого состояла в том, что с помощью
вопросов, на которые ведущий (А. Масляков) отвечал «да-нет», надо
было 1), определить конкретный кинотеатр, где находился известный
актер и, 2). проявив знание города, возможно быстрее доставить его
на телепередачу.
Каждый студент должен знать (потому что этому учат в школе),
что с помощью п подобных вопросов, можно гарантированно выявить
искомый объект из А = 2" объектов. В Москве в ту пору было порядка
120 -130 кинотеатров. И ужасно не хотелось вместе с соперниками
тупо задавать свои 7 вопросов, ориентируясь на афишу стоявшую на
сцене, в которой названия кинотеатров были расположены в четырех
колонках. Хотелось эту абсолютно формальную задачу решить нефор •
мально - и быстрее. Это удалось. Задав ведущему два вопроса, мы
с коллегой (ныне э го известный геофизик, Лауреат государственной
премии) определили колонку с нужным кинотеатром, а затем задали
нестандартный вопрос: выше или ниже он четырнадцатого в списке.
После чего сосредоточили все внимание на гл- захн губах ведущего.
Следя за тем, как опускались его глаза и где они остановились, и что
он шептал сам себе, зону поиска сузили так, что понадобилось еще
два вопроса И все стало ясно. Жюри отметило этот нетривиальный
ход мысли, и в итоге наша команда победила.
Инженер, которому приходится решать формализованную задачу
по заданному, четко прописанному алгоритму, может свои креативные
способности направить на сокращение трудоемкости задачи. Это,
например, поиск и использование более совершенного программного
обеспечения, сокращающего время вычислений, позволяющего упрос-
тить процедуры ввода данных, оформления отчета. Сюда же можно
-78-
отнести действия, направленные на повышение комфортности рабо-
чего места, улучшение его эргономических характеристик и т.д.
Следует также заметить, что творческие усилия инженеры во
многих случаях тратят на то, чтобы формализовать решаемые ими
неформализованные задачи и обеспечить возможность их решения,
с помощью стандартных методик, алгоритмов и программ. И когда
говорят об инженерной методике расчетов того или иного ТО, то, как
правило, имеют в виду, что соответсвующую задачу удалось сущес-
твенно формализовать.
В творческом потенциале человека, если исходить из современ-
ных антропологических представлений о его деятельности, определя-
ющую роль играет (или ответственно) правое полушарие мозга, в то
время как в формально-логическом мышлении, преобладающем, когда
решаются рутинные задачи, ключевую роль играет левое (л. 81).
Понимание этого обстоятельства очень важно при формировании
коллектива исполнителей: подбирать команду, как правило, лучше так,
чтобы в этой команде как целом организме творческие возможности
находились в гармонии со способностью эффективно работать по
инструкциям, нормативам, заданным программам и алгоритмам.
-79-
ГЛАВА 1.2.
Технология инженерной деятельности
Чтобы детально обсуждать технологию (способы) инженерной
деятельности и инженерной работы желательно иметь описание про-
цесса (или процессов) этой деятельности и этой работы. Вынуждены
констатировать, что единого описания, инвариантноголо отношению
к различным видам инженерии - проектированию, диагностике, ис-
пытаниям, управлению техникой и технологическими процессами и
т.д., мы предложить не можем.
Однако некоторые общие деятельностные процедуры для всех
этих видов имеются. Они укладываются в понятие инженерного
мышления, ибо деятельность инженера - это, прежде всего, мысле-
деятельность.
Главенствующую роль здесь играет моделирование. Поэтому о
нем в основном и пойдет речь в данной главе.
§1.2.1 Моделирование в инженерной работе
Вернемся к обобщенной схеме деятельности (рис. 6) и еше раз
уточним каждый из представленных на этой схеме компонентов.
1) Цель. Формулируя цель, мы отвечаем нам вопрос ради чего,
зачем создается технический объект — объект деятельности и затева-
ются работы, необходимые для этого.
2) Средства. Это то, чем нужно располагать, чтобы выполнить
требуемую для создания ТО работу (спроектировать, изготовить,
испытать и т.д.).
3) Продукт это то, что конкретно должно быть получено в
результате выполненной работы (проект, изделие, план испытаний,
диагноз о состоянии ТО и т.п.).
4) Исходный объект - первоначальное представление о про-
дукте, его образ, заготовка, то есть то, что должно быть превращено,
преобразовано в продукт. В принципе, формулируя цель, мы уже
определенным образом конкретизируем объект.
5) Процесс (способ, технология) деятельности, в котором
субъекты деятельности (в частности, инженеры) реализуют цели де-
ятельности по отношению к объекту деятельности. Этот компонент
включает в себя то, что в совокупности определяет кто и как именно
(с помощью каких конкретных процедур, операций, действий и ка-
кой их последовательности и взаимосвязи) должен формироваться
-80-
(производиться, создаваться) продукт деятельности, отвечающий
поставленной цели.
Центральное место среди этих процедур, операций и действий
занимает моделирование.
Моделирование наряду с экспериментом (испытаниями) и наблю-
дением относится к основным технологиям научной и инженерной
деятельности. Владеть этой технологией обязан и инженер-иссле-
дователь, и инженер-конструктор, и инженер-технолог, и инженер-
менеджер.
Как справедливо указано в (л. 87), моделирование присутствует
практически во всех видах творческой активности людей различных
«специальностей» - исследователей и предпринимателей, политиков
и военачальников, врачей и криминал нс гов, писателей и художников.
Об этом же говорится и в (л. 66): «Трудно назвать ту науку, то область
знания, где бы ни занимались моделированием??.
Емко охарактеризовали моделирование профессора В.Т Харин и
В.М. Писаревский в своей книге «Беседы о математике и математиках??
(л. 102): «в ходе развития цивилизации, которое с интересующей нас
точки зрения можно трактовать, как непрерывный прогресс моделиро-
вания и проверки качества моделей на практике, человек создавал и
свое понимание того, как функционирует его собственное мышление.
Некоторые простые аспекты этого процесса ему удалось свести в
модель, именуемую ныне классической или формальной логикой».
Понятно в связи с этим, что курс методологии инженерной де-
ятельности должен содержать подробное рассмотрение моделирова-
ния в качестве ключевого раздела.
Нам предстоит ответить на следующие вопросы:
• что такое модель; откуда проистекает потребность в исполь-
зовании ^моделей;
• какие модели бывают;
• каковы критерии оценки моделей;
• как строятся (разрабатываются, создаются) модели;
• в чем существо математического моделирования, используе-
мого в инжиниринге и в науке особенно широко;
• что возможно и что не возможно сделать путем моделирова-
ния, как используются модели в проектировании и конструировании,
производстве и испытаниях, диагностике и техническом обслужива-
нии ТО, организации и управлении деятельностью.
Стремясь в первую очередь обобщить представления студентов о
математическом моделировании, сложившиеся в процессе обучения,
мы одновременно заинтересованы в развитии у них более широкого
-81 -
взгляда на моделирование, понимания его значимости и эффективнос-
ти во всех аспектах деятельности. В том числе - в поиске правильных
решений, касающихся организации деятельности и управления ею,
взаимодействия с коллегами, партнерами, руководством, достижения
поставленных пелен там, где превалируют субъективные факторы
человеческих отношений, психологии, ценностной ориентации, не
поддающиеся формализации.
Чем бы ни занимался инженер, ему приходится сталкиваться с
проблемными ситуациями и искать из них выход.
Осознание человеком ситуации, в которой он находится, как про-
блемной уже есть моделирование, которое заключает в себе постанов-
ку и поиск ответов на, как указано в (л. 95), следующие вопросы:
• какую цель надо достичь и какова ее актуальность, то есть
насколько это нс обходимо именно в данный момент времени
* что мешает этому, иначе говоря, в чем проблема,
• что нужно для устранения затруднения, препятствия.
Проблемная ситуация порождает проблемы и возникает из проти-
воречия между испытываемой потребностью и наличными средствами
ее адекватного удовлетворения.
Не будет преувеличением сказать, что проблемные ситуации
—это по сути дела среда обитания инженерного мышления, тот
мир, в котором оно себя обнаруживает.
И, следовательно, адекватное моделирование проблемных ситу-
аций, связанных с созданием и использованием по назначению тех-
нических объектов, и поиск выхода их них, - есть один из ключевых
моментов в технологии инженерной работы.
Приведем следующий, на наш взгляд, весьма поучительный
пример.
Менеджеры нового офисного здания, помещения которого были
арендованы различными компаниями, столкнулись с недовольством
многих работников этих компаний тем, что им приходится подолгу
стоять в очереди в лифт', когда они приходят на работу. И из-за этого
они начинают рабочий день в раздраженном состоянии.
На специально созванном по этому поводу техническом сове-
щании было выдвинуто немало конкретных инженерных решений
проблемы. Кто-то предложил компаниям начинать рабочий день в
разное время, чтобы разгрузить лифты, кто-то - увеличить скорость
лифтов, кто-то - изменить организацию движения лифтов: чтобы одни
останавливались на четных этажах, другие - на нечетных. Звучали и
более радикальные предложения.
Но было принято и оказалось эффективным другое. Его автор
-82-
Рис, 19. Инженерный центр мониторинга
и анализа.
исходил из того, что очереди при существующей планировке здания
неустранимы - и суть предложения состояла в том, чтобы ожидание
лифта не было тягостным. А для этого он рекомендовал в лифтовом
холле повесить большие зеркала, установить телевизионные мони-
торы с демонстрацией сюжетов, успокаивающих нервы, снимающих
стресс, переодичсски усграивать художественные выставки и т.п, В
итоге проблема было снята.
Т\4ы уже неоднократно под-
черкивали, что деятельность
инженера - это отнюдь не ра-
бота в одиночку (рис. 19). Она
осуществляется в строгих вре-
менных рамках, с привязкой к
определенному рабочему месту, в
постоянных рабочих контактах с
коллегами, выше- и нижестоящи-
ми сотрудниками, работниками
смежных служб и подразделений.
Следовательно, владение техно-
логией инженерной работы - это не только умение анализировать и
проектировать, конструировать и рассчитывать, диагностировать и
программировать. Это и умение работать с коллегами, «в команде»,
способность «видеть поле» (если и дальше пользоваться футбольной
терминологией), понимать свою роль, свое место в общей системе
деятельности соответствующего структурного подразделения, пред-
приятия и компании в целом.
В порядке пролога к рассмотрению этих аспектов, приведем здесь
в качестве показательного примера характеристику, данную извес-
тным отечественным историком наполеоновской эпохи академиком
Е.В. Тарле австрийскому главнокомандующему Мелассу, крторый
дважды встречался на поле боя с Наполеоном и оба раза был бич,
Е.В. Гарле писал, что, видимо, одной из причин этих поражений
был способ мышления Меласса. Его трагедия заключалась в том, что,
готовясь к очередной баталии, он представлял себе, будто против него
воюет такой же Меласс.
На современном языке это означает неадекватное моделирование
проблемной ситуации, в данном случае заключающейся в непони-
мании противника; представление Меласса о том, как в различных
военных ситуация может поступить Наполеон (модель Наполеона
как полководца) было далеким от реальности.
В обиходе, говоря о знании некоего конкретного человека, люди,
-83-
как правило, подразумевают, что с высокой вероятностью могут про-
гнозировать его поведение, реакции, поступки в тех или иных ситуа-
циях. По сути же дела, хорошо знать человека — значит сформировать
в своем сознании его адекватную поведенческую (быть может, точнее
психологическую) модель.
У инженера, старающегося понять, на решении какой проблемы
сосредоточен в данный конкретный момент времени его руководи-
тель, какова мотивация и что его заставляет заниматься этим, каков
вообще стиль его работы, каковы его предпочтения в той или иной
сфере, иначе говоря, у инженера, способного адекватно моделировать
шефа, есть вполне реальные щацсы решить поставленную перед ним
творческую задачу самого высокого уровня сложности: «пойди туда
- не знаю куда, принеси то - не знаю что».
Опытные специалисты хорошо знают, что не вовремя («под го-
рячую руку», например) поданная руководству служебная записка с
дельными предложениями может быть с порога отвергнута. Органи-
зационно- управленческие структуры, а таковыми являются любые
предприятия, организации и учреждения, как правило, построены
иерархически; их функционирование в существенной мере зависит
от ЛПР—лиц, принимающих решения, и особенности личности ЛПР.
Соотношения ratio, intuition i emotion в его действиях играют здесь
далеко не последнюю роль.
Руководитель не способен правильно подбирать и расставлять
кадры, если не умеет правильно прогнозировать (моделировать),
как будет работать тот или иной кандидат на определенном рабочем
месте.
Выше мы приводили таблицу со значимыми для менеджеров по
персоналу характеристиками кандидата на трудоустройство в ком-
панию Amoko в качестве; специалиста (табл. 1). Одна из позиций в
этой таблице — способность адаптироваться к меняющейся ситуации,
в частности, среде деятельности. А откуда берется эта способность? В
первую очередь из способности правильно оценивать (моделировать)
важные для органичного существования в этой среде ее характерис-
тики (например, роль и место ближайших коллег по работе в деятель-
ности коллектива), а также то, чего ждут в этой среде от него.
В настоящее время в ряде вузов в учебные программы подготовки
менеджеров и не только менеджеров включаются курсы, имеющие
название «моделирование управленческих решений» или нечто по-
добное. В этих курсах вопросам учета «человеческого фактора» при
подготовке альтернативных вариантов решений уделяется существен-
ное внималис (л. 59, 97).
-84-
§ Х-2.2 Понятие модели
Само слово «модель» имеет латинские корни; словом «modelus»
на латыни обозначаются вещи, сходные в каком либо отношении с
другой вещью.
О моделях и моделировании в учебной и научной литературе, а
ей несть числа, говорилось и говорится по преимуществу в связи с
изучением различных физических процессов и систем (технических,
организационных, информационных и г.д.). При этом рассматривав
ются в основном физические и математические модели, и матема-
тическим моделям уделяется основное внимание. (Широко известно
изреченине И. Канта, что в любой науке науки столько, сколько в ней
математики).
На самом деле, понятие модели является гораздо более широким.
В его основе лежат представления об аналогии
В переводе с греческого аналогия — это фиксируемое человечес-
ким сознанием соответствие, совпадение, сходство в чем-либо двух
ИЛИ нескольких объектов (систем, ситуаций, явлений, процессов,
характеристик), позволяющее знания (информацию) об одном ис-
пользовать длч суждений о другом или других (л. 117.).
Определим понятие модели следующим образом.
Если некий объект X обладает или может быть наделен
свойствами (характеристиками, атрибутами, параметрами), в
определенном сммсле сходными с имеющимися у объекта Y, и за
счет этого ряд суждений об объекте X можно переносить с той
или иной степенью достоверности на объект F(цк> есть считать
справедливыми как для X, так и для Y), то в этом конкретном
смысле объект Xможет быть моделью объекта Y.
Часто можно услышать или прочитать, что потребность в модели
Xвозникает, когда непосредственное изучение (исследование, анализ,
испытания, наблюдения) объекта Y(будем для краткости называть его
оригиналом), затруднено (например, дорого или сопряжено с непоз-
волительными затратами времени), или просто невозможно. Но это
упрощенный, утилитарный подход к использованию моделей.
В действительности, роль моделей в деятельности людей и шире,
и фундаментальнее. В сущности, научное познание мира есть ничто
иное, как отображение различных явлений, процессов, закономернос-
тей адекватными моделями.
«Понять явление. - значит, построить его модель», говорил лорд
Кельвин. «Можно указать множество случаев», — пишет в своей книге
«Этюды о гуманитаризации образования» академик А.Х. Мирзаджан-
-85-
заде - «когда термин «моделирование» употребляется как синоним
познания, гносеологического отображения».
Но модели и моделирование являются фундаментом не только на-
учного познания. В изданной в 2003 году институтом искусствознания
и институтом археологии Российской академии наук монографии «На-
ука и религия: новый симбиоз?» (л. 41) и религиозное мировоззрение
также рассматривается как определенный тип модели мира.
То же, как будет показано ниже, относится и к литературе, театру,
изобразительному искусству.
-86-
§ 1.2.3 Виды моделей
Объекты X и Y могут иметь как одинаковую, гак и различную
природу. Они Moryi быть материальными или информационными,
реальными и идеальными (абстрактными).
Например, существует женская профессия топ-модели. Всемир-
но известны топ-модели Клаудиа Шифер, Синди Кроуфорд, Ноуми
Кембелл,
Клаудиа Шифер
Синди Кроуфорд
Ноуми Кембел
Резонно спросить, моделями чего или кого эти женщины явля-
ются.
На этот вопрос может быть дан следующий ответ: имеется в
виду, что их внешность отражает бытующие в обществе (вернее, в
его некоторой части) представления о женской красоте.
В данном случае исходный объект абстрактный (идеальный)
представления (мнения) людей, а модель — вполне реальный, что
называется, из плоти и крови.
Противоположный пример: такие абстрактные (идеальные) объ-
екты как материальная точка, прямая, абсолютно черное тело служат
моделями реальных объектов (процессов): физических тел, луча света,
особенностей его поглощения и т.д.
Не менее чем фотомодель известна и профессия модельера.
Модельер — это специалист по созданию моделей одежды, обуви
(модельная обувь). Что такое модель одежды? Это или эскиз, рисунок
(информационный объект), или единичный образец определенного
вида одежды (материальный объект), нс обязательно предназначенный
для какого-то конкретного человека, а воплощающий в себе пред-
-87-
ставление о некотором желательном свойстве одежды (абстрактный
объект). Не обязательно модности. Например, модель милицейской
формы более отражает удобство, рациональность с функциональной
точки зрения.
Мало найдется людей, не знающих, что такое фоторобот. В
сущности, это также определенный тип модели (информационной)
реального человека, находящегося в розыске (не обязательно пре-
ступника).
Персонаж литературного произведения - художественный образ,
(литературный типаж) так или иначе, моделирует людей, встречаю-
щихся в реальной жизни. Онегин и Печерин моделировали собой
так называемых «лишних (по выражению В.Г. Белинского) людей»
первой трети XIX века.
Манилов
Обломов
-88-
Гоголевский Манилов - прожектеров и прожектерство, гончаров-
ский Обломов - отсутствие созидательной энергии.
Таким образом, употребляемое литературоведами и критиками
применительно к некоторому литературному персонажу словосоче-
тание «типичный представитель той или иной категории («породы»)
людей» в принципе может быть заменено словом «модель».
В (л. 66) указывается, что «различные искусства являются как бы
частичными моделями мира, каждая из которых останавливает внима-
ние на отдельных сторонах действительности. Эти частичные модели
можно разделить на пространственные и временные, на изобразитель-
ные и выразительные, на модели для зрения и для слуха и т д.
Особенно интересно искусство театра. Театр можно отнести
к модели синтетической. Здесь соединяются и находят наилучшее
воплощение музыка и балет, поэзия и проза, живопись и скульптура».
Искусства призваны отражать реальный мир в своих моделях таким,
каков он есть».
В высшей школе достаточно широко используется термин
«модель специалиста». Под этим подразумевается составленное
по определенной форме описание того, что должен знать, уметь и
какими навыками обладать выпускник вуза, получивший диплом по
соответствующей специальности. В данном случае исходный объект
— нечто усредненное, абстрактное, потому что реальные специалисты
вес разные. Модель же - чисто информационный объект.
(В словосочетаниях «модель—информационный объект», «инфор-
мационная модель» конечно же, есть элемент тавтологии, поскольку
модель тогда модель, когда она несет информацию, переносимую на
оригинал. Употребляя, тем не менее, эти словосочетания, мы под-
черкиваем несущественность материального носителя информации
в соответствующей модели. Фоторобот может быть отпечатком на
фотобумаге — фотографией, или изображением, сделанным типог-
рафским способом на обычной бумаге; это может быть изображение
на мониторе компьютера, фиксируемое на электронных носителях, в
частности, в памяти компьютера. Во всех этих вариантах существенно
лишь само изображение, то есть содержащаяся на указанных носите-
лях информация. То же касается и моделей, представляющих собой
различные по форме описания моделируемого объекта).
В литейном производстве работают специалисты различных
профессий, в том числе модельщики. Их функцией является изготов-
ление модельного комплекта, представляющего собой часть литейной
оснастки, в которую входят технологические приспособления, необ-
ходимые для получения в форме отпечатка модели отливки.
-89-
Когда и оригинал, и модель - материальные объекты, моделиро-
вание определяют как физическое.
Широко известные примеры: шарик, укрепленный на пружин-
ке, служащий моделью электрического колебательного контура и
наоборот (рцс.20); аэродинамическая труба с размещенной внутри
нее геометрически подобной моделью самолета, используемая для
имитации и анализа различных аэродинамических режимов полета
Частным случаем физического моделирования является геометричес-
кое моделирование.
Теоретической базой физи-
ческого моделирования является
теория подобия и размерности и,
в частности, знаменитая л - тео-
рема.
Напомним, о чем в ней идет
речь (л. 88). Пусть изучается явле-
ние или процесс, в котором размер-
ная величина а, характеризующая
одну из их особенностей, является
функцией п независимых размер-
ных всдцчцн pt (i = l,n):
Согласно л - теореме указанная
функциональная связь, на завися-
щая от выбора системы единиц
измерения ov может быть сведена к функциональной, зависимости
между п+1-к безразмерными комбинациями размерных величин
a. (i ~ 1,п).
где к - количество независимых размерностей (в системе СИ это.
как известно^ размерность длины L (метр), размерность времени Т
(секунда) и размерность массы М (килограмм)):
Рис. 20 {6). Kojefymt&tbHbiii крнтур,
n=f(Pr -Р„.,Э
Два явления (в реальной системе и модели) считаются подоб-
ными, если по известным характеристикам одного можно получить
характеристики другого простым пересчетом, который аналогичен
переходу от одной системы единиц измерения к другой системе. При
этом необходимы и достаточным условием подобия будет равенство
численных значений безразмерных комбинаций рназываемых кри-
териями подобия.
Приведем два хрестоматийных примера.
-90-
Первый (рис. 21) - маятник:
подвешенный на нерастяжимой и
невесомой нити длиной / шарик
пренебрежимо малых размеров, по
конечной массы т.
Если отклонить шарик от ниж-
него равновесного положения на
угол tp и отпустить, то маятник
Рис 21 Математический маятник. лРидет в Движение под действием
силы тяжести mg. От чего зависит, в
каком положении будет находиться маятник в момент f?
Естественно, от t, и можно предположить, что и от I, и от т, и mg
(других параметров в рассматриваемой системе нет и это — результат
пренебрежения растяжимостью и весом нити, размерами шарика,
сопротивлением среды (воздуха) его движению). Итак, мы предпо-
лагаем, что
<Р = Л I, т, mg)
Из пяти аргументов функции f можно составить две безразмерные
переменные - критерии подобия. Это ср и
Таким образом, согласно л - теореме
Мы пришли к известному еще из школьного курса физики вы-
воду, что характер движения маятника не зависит от массы шарика.
Но в данном случае для нас важнее показать, как определяются те
критерии подобия, знание которых позволяет моделировать маятник
иди наоборот, использовать маятник в качестве модели.
Еще один пример: жидкость в
U-образном сосуде (рис. 22.)
Пусть масса жидкости М и
плотность р. Примем, что стенки
сосуда абсолютно гладкие, атмос-
ферное давление Р постоянно, а
поверхностным натяжением можно
пренебречь. Тогда
2
т^~^л=~Т'г P°g/2
ап
Рис. 22 &-обрсгшмй сосуд
-91 -
h =
V m
Сопоставление приведенных формул для маятника и сосуда ос-
нование для вывода, что данные объекты могут служить физическими
моделями друг друга согласно л-теореме, если
2
00=^
'«0
Особым типом моделей являются так называемые феноменоло-
гические модели - модели, сконструированные таким образом, что
они отображают экспериментальные факты, но не за счет проник-
новения в сущность моделируемых явлений, объектов, процессов,
которые остаются для исследователя черными ящиками. Поясним
это на примерах
Из истории науки известно, что в XVIII - начале XIX веков на-
блюдаемые тепловые явлений (в частности, передачу тепла) объяс-
няли, предполагая существование во всех физических телах особой
субстанции теплорода.
Этой точки зрения придерживался, в частности, знаменитый
физик Сади Карно. В изданной в Париже в 1824 году книге «Размыш-
ления о движущей силе огня», он следующим образом рассуждал об
аналогии между паровой машиной и водяной мельницей: подобно
тому, как поток воды приводит в движение мельничные жернова,
теплород, перетекая от котла к конденсатору, приводит в движение
соединенные с машиной механизмы.
Распространение электромагнитных волн также связывали с су-
ществованием некой субстанции, названной эфиром Ничего общего
с реальностью это, как впоследствии было доказано, не имело, но
модели, созданные в предположении существования теплорода или
эфира, приносили практическую пользу, с их помощью производили
инженерные расчеты.
К феноменологической можно отнести и знаменитую плане-
тарную модель атома, предложенную Н. Бором. Бор в этой модели
уподобил электроны материальным частицам, вращающимся вокруг
ядра пр орбитам, сходным с планетарными орбитами. Переход элект-
рона с орбиты да орбиту связывался с поглощением или испусканием
фотона.
Отдельный класс моделей составляют модели сложных систем.
Сложная система содержит большое число элементов, связи которых
между собой характеризуются большим разнообразием. Свойствами
-92-
сложной системы являются целостность, членимость, иерархичность,
многоаспектность.
К сложным системам обычно относят крупные технологичес-
кие, производственные, энергетические, транспортные (коммуни-
кационные), социальные, оборонные комплексы, например, такие,
как нефтяной промысел, промышленное предприятие, телефонная
сеть, система нефтегазопроводов, жилищно-коммунальная система,
система скорой медицинской помощи, система образования, система
противоздушной обороны,
Для оценки относительной сложности S технических систем (ТС)
в (л. 79, 95) предлагается формула;
( гп \
л
5 = А----J.
п
в которой Xj параметр сложности (количество элементов, струк-
турных единиц в системе, связей, цх разнообразие, число состояний,
в котором могут находится структурные единицы и т.д.); в - показатель
степени, равный 1, если связь сложности с соответствующим парамет-
ром пропорциональная, и -1, если обратнопропорциональная,
Например, степень сложности машинного агрегата может опре-
деляться так: / . . / т
5 =
7
где к, - число деталей в агрегате, х, число соединений между
деталями, х3 число материалов, используемых при деталей, х4 сум-
марное число входов и выходов потоков энергии, информации и ве-
щества, имеющихся в агрегате, х5 число физико-химических эффектов,
реализуемых в нем, х6 точность изготовления особо ответственных
деталей, х7 — требуемая точность обеспечения основных функцио-
нальных показателей.
Процессы функционирования сложных систем, как правило,
нелинейны и в немалой степени обусловлены действием случайных
и неопределенных факторов (обстоятельств).
В (л. 118) указано, что мерой сложности системы может служить
число ее возможных состояний или число степеней свободы. При
этом сложной будет система с таким числом состояний, которое ве-
лико с точки зрения имеющихся у исследователя средств описания и
анализа ее поведения. Иначе говоря, сложная система - та, что не
поддается такому упрощению, при котором снимается проблема
ее многомерности, нелинейности, стохастичностц.
-93-
Наряду с понятием сложной системы употребляется и понятие
сложного процесса. В частности, сложным процессом является изна-
шивание, потому что оно существенным образом зависит от большого
числа факторов. Это характеристики контактирующих поверхностей,
в частности, шероховатость, которая являются случайной функцией,
зависящей от материала детали, способа обработки поверхности,
включая термообработку, это параметры смазки, зависящие от состоя-
ния окружающей среды, это действующие на поверхностях контакта
напряжения, относительная скорость смещения поверхностей, изме-
няющаяся случайным образом и прочее.
Математические модели сложных систем (процессов) имеют,
как правило, идентификационный характер (л. 87). Это означает, что
некоторые элементы модели (структура, параметры) определяются
по экспериментальным данным характеризующим поведение ори-
гинала.
В обиход с относительно недавних пор вошли такие понятия как
виртуальная реальность, виртуальный мир. Это тоже модели, которые
И раньше использовались в компьютерных тренажерах.
В социальной психологии применительно к отдельному индиви-
дууму или группе широко используют понятие модели поведения и
подразумевают по этим совокупность типовых реакций и поступков
людей в определенных обстоятельствах и ситуациях. В учебниках
по менеджменту и маркетингу подробно анализируются различные
модели поведения партнеров по деловым переговорам, клиентов,
потребителей.
В астрологических гороскопах также фигурируют модели по-
ведения людей, обозначаемые названиями соответствующих знаков
зодиака.
Когда о человеке говорят, что он сангвиник, холерик, флегматик
или меланхолик, то речь идет о соответствии некоторых свойств его
личности одной из указанных моделей темперамента.
(Сангвиник - сильный тип—общителен, подвижен, жизнерадостен; быстро
реагирует па раздражители и легко ориентируется в окружающей обстановке.
Холерик — безудержный тип — возбудим, суетшв, несдержан, резок, реши-
телен, инициативен; подвержен быстрой смене настроения, сомнениям в своих
силах.
Флегматик — спокойный тип - необщителен, малоподвижен, спокойно
реагирует на раздражители; задание обдумывает долго, но, приняв решение,
выполняет любое дело до конца.
Меланхолик — слабый тип — малообщителен, мнителен; сильные и непри-
вычные раздражители вызывают оборонительную реакцию, хорошо выполняет
тонкую работу; чувства и переживания длительны и очень глубоки).
-94 -
С недавних пор в нашу жизнь вошли и стали повседневными
социологические опросы. То, что социологи в результате получают,
является моделями. Моделями общественного мнения, приоритетов
и предпочтении в самых различных сферах бытия, дифференциро-
ванные по группам населения, регионам и т.д.
Любое знание об объекте, любые суждения формулируются, пе-
редаются п воспринимаются людьми с помощью некоторого языка
(естественного, научного, в частности, математического, образного,
языка жестов), в более широком смысле —с помощью определенной
знаковой системы. Наука, изучающая теорию построения знаковых
систем, используемых в общении людей и их деятельности для обмена
информации (передачи ее смысла), называется семиотикой (л. 1). С
позиций этой науки, являющейся одним цз оснований методологии
как таковой (л, 69), языковая конструкция (понятие, утверждение),
служащая описанием некоторого объекта (его отдельных свойств,
характеристик, параметров) сама по себе может рассматриваться как
модель объекта.
Если используется естественный язык, то такую модель
называют вербальной (то есть словесной), если математический
- математической моделью.
Следует заметить, что естественный язык люди воспринимают,
по крайней мере, в двух вариантах: в виде устной и письменной речи
Клинопись древних шумеров, современное буквенное или иерогли-
фическое письмо — знаковые модели устной речи.
Знаковые модели, в которых знаки имеют некоторое сходство с
оригиналом (наскальные изображения зверей, сделанные древним
человеком, пиктограммы, широко используемые в современном мире
в качестве указателей), называют иконическими.
Одним из впечатляющих достижений в области информационных
технологий является создание компьютерных программ - перевод-
чиков иностранных языков, в основе которых лежит модель «смысл
- текст». При построении этой модели исходными являются следую-
щие идеи: владение языком проявляется у говорящего в способности
выразить нужный ему смысл с помощью соответствующего текста, а
у слушающего - в умении извлечь из текста содержащий В нем смысл;
при компьютерном переводе с языка на язык смысл, закодированный
во входном языке, подлежит декодированию и фиксации, а затем
кодированию в выходном языке. В связи с этим проблемы компью-
терного перевода и научного описания языка, то есть построения
его модели совпадают.
Говоря, что знак или знаковая конструкция, обозначающие нечто,
-95-
могут рассматриваться в качестве модели этого нечто, иначе говоря,
утверждая, что знак - это модель, нужно иметь в виду, что обратное
справедливо не всегда.
Образы, формируемые нашим сознанием (или формирующие-
ся в нашем сознании) - идеальные модели, не имеющие знакового
воплощения. В этой связи упомянем о таких свойствах моделей, как
изоморфизм и гомоморфизм.
Изоморфизм означает взаимно однозначное соответствие. Приме-
нительно к моделям это свойство проявляется в том. что если объект
А" является моделью объекта У то в равной мере и в том же смысле
объект У может служить моделью объекта X, Пример изоморфных
моделей мы уже приводили: колебательный контур может служить
моделью механической системы: «щарик на пружинке» и наоборот.
Гомоморфизм означает однозначное соответствие, но не взаимное,
а однонаправленное. Пример: географические или топографические
карты определенной местности (региона), отличающиеся масштабом.
На карте большого масштаба есть все, что есть на карте малого масшта-
ба, но на второй часть деталей, имеющихся на первой, отсутствует.
Инженерная деятельность, как это было определено нами, связана
с созданием и использованием по назначению технических объектов
(технических систем - ТС). Современные ТС - это по большей части
человеко-машинные системы. То есть эти системы функционируют
в определенной среде, взаимодействуют с ней и, так или иначе, уп-
равляются человеком (непосредственно или через другие объекты,
непрерывно или в определенные моменты, например пуска и оста-
новки). Поэтому, когда речь идет о моделях ТС, надо иметь в виду
отображение в них и управляющих воздействий.
Эти воздействия осуществляются как результат принятия соот-
ветствующего решения. Поэтому в модель ТС может быть опреде-
ленным образом встраиваться модель выбора и принятия решении
по управлению им (рис. 23).
Поясним сказанное. Моделируя процесс бурения скважины,
можно ограничиться описанием того, как разрушается порода при
ее взаимодействии с породоразрушающим инструментом - долотом
в зависимости от свойств породы, геометрии вооружения долота,
скорости его вращения и осевой нагрузки, создаваемой бурильной
колонной. Можно одновременно моделировать и как выбуренная
порода (шлам) выносится на поверхность буровым раствором и т.д.
Но автоматизированную систему управления бурением нельзя постро-
шь, не располагая, кроме того, описанием (моделью) влияния па этот
процесс действий бурильщика. А это значит, что нужно построить
-96-
Модель
промывки
Модель
принятия
решений
Модель
разрушения
Модель
управления
Модель
выноса
породы
Модель
углубления
Рис. 2 3, Модель буровой установки как человеко-машинной системы.
модель принятия бурильщиком решений, обусловленных получаемой
им информацией о течении процесса бурения.
Философы и психологи говорят, что сознание человека через
механизм отражения и осмысления в нем окружающего мира во всем
его многообразии, отдельных объектов, процессов и т.д. формирует
соответствующие представления об этом мире, о его составляющих,
о связях между ними.
Представления, которые мы вполне можем обозначить словом
«модели». (В л. 117, в статье посвященной моделированию психи-
ческих функций, говорится, что выделение информации мозгом как
в ходе чувственного познания, так и при отвлеченном мышлении
понятиями, происходит в процессе отражения мозгом внешней и
внутренней среды в виде создания внутримозговых моделей- Пси-
хофизиологический субстрат мозговых моделей во многом еще не
ясен, но материальной их основой являются, несомненно, корко
- подкорковые структуры).
В этой связи упомянем о так называемых когнитивных моде-
лях - моделях обработки информации по аналогии с ее обработкой
человеческим мозгом (аналогии в пределах тех знаний о природе и
механизмах мышления, которыми располагает современная наука).
Эти модели активно разрабатываются в рамках проблематики ис-
кусственного интеллекта и используются в экспертных системах,
системах компьютерной поддержки выбора и принятия решений в
сложных ситуациях, (л. 97).
-97-
В (л. 80) । сворится применительно к моделированию в инженер-
ной деятельности, что наиболее распространены три типа моделей
н соответствующих способов моделирования: I) мысленное, или
интуитивное, моделирование, когда специалист дает свои эксперт-
ные оценки проектно-конструкторского решения; 2) математическое
моделирование; 3) физическое моделирование.
Итак, моделью объекта могут быть его образ в сознании че-
ловека, описывающие его текст, чертеж, пиктограмма, макет,
геометрически подобный объект, но уменьшенный или увеличен-
ный, объект иной физической природы, схема, график, таблица,
формула, система уравнений, алгоритм и т.д.
Реальный объект (система, процесс) обладают бесконечным
количеством свойств, характеристик, и лишь некоторая часть из них
отображается в модели. В чертеже —топология, в схеме - структура, в
графике - динамика, в рейтинговой таблице - сложившиеся в опреде-
ленной социальной среде предпочтения и т.д. В этом смысле модель
всегда проще, грубее моделируемого объекта (оригинала). Недаром
сказано было когда-го; мысль изреченная (выраженная словами вслух
или письменно, неважно) есть ложь. (Ложь в том отношении, что
словами невозможно точно передать мысли, чувства и т.д.).
В (л. 1) все многообразие моделей предлагается свести к трем
основным типам (рис. 24):
Рис. 24. Типы моделей
а) материальные (физические) модели (эю игрушки, куклы,
макеты топ-модели),
б) информационные, пли семиотические модели — модели,
-98-
представленные с помощью той или иной знаковой системы (это и
вербальные, и математические модели, и чертежи, и схемы и г.д.),
в) воображаемые, иначе говоря, мысленные модели.
Помимо того, что модель и оригинал могут иметь различную
физическую природу, что мы проиллюстрировали на большом числе
примеров, они могут не совпадать и во времени. Модель даже может
существовать раньше оригинала: цель как образ продукта деятель-
ности, то есть исходная его модель, предшествует ему.
Убедившись в многообразии видов моделей вполне логично
задаться следующим вопросом: если оперирование с самыми разно-
образными моделями является естественным способом проявления
(функционирования) человеческого сознания, столь же естественным,
как для люден естественно дыхание, то какой смысл выделять моде-
лирование в некоторую особую технологию инженерной и научной
деятельности, которой нужно овладевать.
Огветим на этот вопрос так. Относительно одних и тех же ситу-
аций (явлений, процессов, событий) у различных людей могут быть
схожие представления (тогда о них говорят как об общепринятых), а
могут быть совершенно различные. И люди, реализуя свои личные,
субъективные представления об этих ситуациях, иначе говоря, по-
своему моделируя их в своем сознании, нередко действуют противопо-
ложным образом, принимают принципиально различные решения.
Позволим себе привести пространную цитату из (л. 102):
«На основании жизненного опыта индивидуальный разум каждо-
го человека и коллективный разум человечества способны создавать
понятия, обобщающие свойства однотипных реальных объектов или
явлений, и модели, отражающие связи между понятиями. Простейшие
примеры понятий: жизнь, смерть, пища, дом, мать, огонь, земля, бог;
более сложные: причина, правда, связь., число, точка, прямая линия.
Модели связей: огонь - тепло, враг - смерть, друг — правда, точка
лежит на прямой.
Создав модель, человек начинает действовать в соответствии с
ней, желая добиться определенного результата, И регулярно наряду
с успехами терпит неудачу. Ибо качество моделей всегда оставляет
желать лушего. Вдруг оказывается, что огонь это не только тепло, но
и ожог, боль, что друг - это не всегда правда, но изредка предатель-
ство, ложь.
Маленькая девочка часто с интересом наблюдала, как мама укла-
дывает свои волосы, пользуясь металлическими заколками. Однажды
она попросила разрешения участвовать в л ом процессе, взяла заколку'
И с маху всадила сс двумя концами в мамину голову. От боли сначала
-99-
закричала мама, затем дочка, награжденная парой хороших шлепков.
В чем дело? Оказывается, девочка была искренне уверена, что заколки
соединяют не волосы с волосами, а волосы с головой. С этого дня ее
модель реального мира улучшилась».
В инженерии, как и в науке, необходимо опираться не па
субъективные модели, а на такие, назовем их «хорошими», кото-
рые дают информацию о моделируемом объекте, не зависящую
(или минимально зависящую) от того, кто конкретно занимается
моделированием, то есть по возможности объективную.
Уместен и еще одни вопрос. Можно ли при бесконечном разнооб-
разии видов моделей описывать технологию моделирования с единых
позиций. Например, разве в методологическом плане есть что-либо
общее в моделировании машин и различных физико-химических
процессов, моделировании одежды и моделировании человеческой
деятельности? Нс бесперспективно ли пытаться сформулировать эти
единые позиции и общие методологические подходы?
Оказывается, что общие методологические подходы к моделиро-
ванию есть. И о них речь пойдет ниже.
-100-
§ 1.2.4 Критерии оценки моделей
Одному и тому же объекту можно поставить в соответствие мно-
жество моделей, поэтому в моделировании существует общеметодо*
логическая проблема сравнения моделей, их оценки и выбора.
К основным критериям оценки моделей относят адекватность,
пнгсрентность и простоту.
Адекватность - это главный критерий качества любой модели, и
в общем случае она означает приемлемость той степени соответствия,
схожести, приблизительности, с которой ею отображается моделиру-
емый объект в выбранном для моделирования аспекте.
Часто можно услышать о неадекватном поведении человека
или, наоборот, об адекватной реакции на что-либо. В этом контексте
адекватность означает соответствие: нормам морали, степени опас-
ности п т.д. Когда говорят об адекватности модели, имеют в виду,
что получаемые с се помощью информация, результаты анализа со-
ответствуют тому (или совпадают с тем), каков, как проявляет себя
моделируемый объект.
У большинства людей не вызывает возражения, что некоторые
выводы, к которым пришло человечество, наблюдая и изучая окру-
жающий мир, живую и неживую природу, вселенную в целом, назы-
вают законами природы. Со школьно!! скамьи нам известны законы
Ньютона, относящиеся к механическому движению, закон Гука о про-
порциональности деформаций и напряжений в твердом теле, законы
Шарля, Бойля - Мариотта, относящиеся к состоянию газов, закон Ома
в электротехнике, периодический закон Менделеева в химии и т.д.
Но нам известно и то, что формулировки этих законов не являются
абсолютно истинными, что они отражают* описываемые с их помощью
явления лишь приблизительно. В некоторых условиях погрешность
пренебрежимо мала, в других оказывается заметной (При скорости
движения тел, соизмеримой со скоростью света, механика Ньютона
уступает место релятивистской механике Эйнштейна, иначе говоря,
перестает быть адекватной). Поэтому ряд исследователей и филосо-
фов предпочитают пользоваться термином модели явления (явлений,
процессов, класса явлений и процессов) вместо закона природы.
Адекватность модели устанавливается (проверяется), как пра-
вило, путем сопоставления выводов, утверждений, результатов,
полученных в ходе моделирования, с данными, полученными экспери-
ментально на реальном объекте. Следует подчеркнуть, что не все, что
можно получить на модели, удается при имеющихся в распоряжении
исследователя средствах проверить экспериментально. (Иначе моде-
-101-
пирование не было бы таким универсальным способом исследований,
каким оно является).
Приведем классические примеры, иллюстрирующие это поло-
жение.
Система уравнений, описывающих траектории движения пла-
нет вокруг Солнца и выведенных на основе ньютоновского закона
всемирного тяготения, это математический объект, моделирующий
определенные свойства солнечной системы и в соответствии с этим
имеющий право именоваться ее математической моделью.
До середины XIX века люди знали о наличии восьми планет,
и расчет их траекторий за исключением траектории Плутона да-
вал очень близкие к реальности результаты. Адекватность модели
Применительно к Плутону достигалась, как показал французский
астроном Деверье, при помещении за Плутоном еще одной планеты,
но никаких экспериментальных данных о ее существовании к тому
времени не было.
При сопоставлении данных моделирования с натурными
данными, если таковые имеются, бывает достаточной схожесть
на качественном уровне. Поэтому адекватность не является си-
нонимом точности в математическом смысле.
Ингерентность модели означает, что она согласована с той сре-
дой, воспринимается той средой (научной, общественной, инженер-
ной), в которой осуществляется соответствующая деятельность
Для пояснения этого критерия вернемся к топ-моделям и обратим
внимание на то, что этот способ моделирования женской красоты
приемлем в христианском, но не в мусульманском мире.
В подавляющем большинстве случаев ингсрентность модели
обеспечивается автоматически, поскольку разработчики моделей
действуют именно в той среде, в которой соответствующий способ
моделирования принят.
Тем не менее, этот критерий бывает весьма существенным. Его
неучет приводит иногда к тому, что достоверные выводы, получен-
ные в результате моделирования, подвергаются сомнению пли даже
оказываются отвергнутыми.
Наглядным примером является история с гелиоцентрической
моделью Коперника, который предложил ее взамен геоцентрической
системы Птолемея, признававшейся в течение полутора тысяч лет
как отражающую реальное движение небесных тел. Приверженность
новой модели, как известно, стоила многим последователям Копер-
ника жизни.
-102-
Из определения ингерентности модели следует, что удовлетворить
этому требованию можно тремя путями: корректируя модель (напри-
мер, сознательно сужая ее область использования), воздействуя па
среду ее использования, а также и тем, и другим вместе.
Пояснить сказанное можно на следующем примере
Студенческой аудитории задается вопрос, как бороться со спи-
сыванием на экзамене. В качестве одной из возможных моделей
решения проблемы предлагается следующее: тот студент, кто видит,
что его товарищ списывает, сообщает экзаменатору. Обосновывается
предложение по принципу аналогии - ссылками на спорт: лыжник на
дистанции немедленно сообщит судье соревнований, если увидит, что
один из спортсменов «срезал» дистанцию и благодаря этому оказался
на финише впереди него. Никто этого честного лыжника не осудит,
его поступок не будет противоречить нормдм морали.
Совершенно очевидно, что приведенная аргументация покажется
большинству студентов, «а также их родителям» не убедительной, и
они с негодованием отвергнут предложенную модель.
Итак, в одной среде модель борьбы с нарушением правил рабо-
тает, в другой нет.
Кто-то попытается объяснить данный феномен тем, что в спорте
нарушитель правил «крадет» у тебя победу, а на экзамене списы-
вающий решает свои проблемы и тебя это не касается. Ему легко
возразить: экзамены бывают конкурсными, и заветное место в вуз,
или престижная стипендия достанутся не тебе — честному, а тому,
кто списал. Но и эти, казалось бы, бесспорные доводы не возымеют
никакого действия. Почему? Потому что предлагаемая модель - не
ингерентна.
Можно ее откорректировать? Можно. Например, посадить в ау-
дитории дежурных ассистентов - наблюдателей за порядком или, идя
в ногу со временем, установить в аудитории, где проходит экзамен,
видеокамеры, как в супермаркете (и как на лыжной трассе, если сорев-
нования крупные). Эффект будет. Разумеется, не стопроцентный, но и
ненулевой. Хотя, конечно, достигнут он будет дорогой ценой. Можно
воздействовать и на среду использования модели — студенческую ау-
диторию. внушать студентам, как это делают все профессора, а также
родители студентов, что списывать - плохо. Работая в высшей школе
несколько десятков лет, автор с неослабевающим интересом наблюда-
ет, как в борьбе с этим злом реализуются ц тот и другой подходы.
Простота модели. Это свойство модели понимается по разному,
например, в том смысле, что, простой моделью является такая модель,
- юз-
которая, будучи адекватной, может быть использована по назначе-
нию (для проведения исследования, выполнения расчетов, создания
конструкции и т.д.) оперативно и легко, без привлечения трудоемких
средств, требующих особой подготовки и затрат времени. Id этим
она хороша. Когда предпринимаются попытки упрощения модели, в
частности, математической модели, то, зачастую, стремятся именно к
этому, хотя упрощения иногда касаются лишь формы представления
модели (матричная запись системы уравнений компактнее исходной
записи в смысле экономии знаковых средств). Сразу оговоримся, что
понятия трудоемкости, легкости, оперативности являются относи-
тельными. Если моделируется сложная система именно как слож-
ная, то ее адекватные модели также будут сложными системами по
определению. Но предпочтительнее из них будет та. с которой будет
проще работать, с меньшими затратами труда и других ресурсов.
А. Эйнштейн писал, что «весь предшествующий опыт убеждает в том.
что природа представляет собой реализацию простейших математи-
чески мыслимых объектов» .
В науке и в инжиниринге широко используют такой общеме-
тодологический принцип моделирования, как последовательные
приближения.
Модель первого приближения - это, как правило, наиболее
простая, «грубая», прикид очная модель, адекватная в основном на
качественном уровне.
Азбучный пример: модель идеального (в котором потенциальная
энергия взаимодействия молекул пренебрежимо мала) газа, выража-
емая уравнением Менделеева -Кцайперона, связывающим давление
Р, температуру Г, объем Ей количество молей газа у.
PV/T = vR
(R универсальная газовая постоянная).
Данное уравнение дает приемлемые для практических расчетов
результаты только для разреженных газов.
Следующим уровнем приближения модели состояния газа (уже
модели реального, как пишется в учебниках физики, является урав-
нение Ван-дер-Ваальса:
(I- vb) (Р + av2/V2* = v RT,
где а и Ъ - константы, учитывающие влияние взаимного притя-
жения молекул газа и их собственного объема.
В (л. 87) о последовательных приближениях при построении
математических моделей говорится как о иерархическом подходе по
принципу «от простого - к сложному», при котором формируется
цепочка все более полных моделей, каждая из которых обобщает прс-
-104-
дыдущие, включая их в качестве частного случая. Но одновременно
указывается, что иерархия математических моделей часто строится
и по противоположному принципу «от сложного к простому»: из до-
статочно общей и сложной модели при соответствующих допущениях
получается последовательность все более простых (по <? меньшей
областью применимости) моделей,
В частности, большинство реальных процессов, изучаемых в
науке и инжиниринге, такоры, что адекватные им математические
модели нелинейны. Однако путем разли чных упрощающих предполо-
жений эти нелинейные модели линеаризуются. Линейные же модели,
как подчеркивается в (л. 87), служат лишь первым приближением к
реальности.
Из вышеизложенного как будто бы вытекает, что простота модели
Всегда достигается за счет ее адекватности. Однако, это справедливо
лишь отчасти. Дело в том, что модель может быть одновременно и
адекватной и простой. Напрашивающийся пример: знаменитая фор-
мула Эйнштейна
Е = тс2
Упростить модель процесса или явления, как показывает история
науки, неоднократно удавалось путем введения новых фундамен-
тальных понятий. Так, понятие энтропии S, введенное для измерения
степени неупорядочности открытых систем позволило предельно
кратко выразить второе начало термодинамики как закон возрастания
энтропии.
И на надгробном камне, установленном на могиле Людвига Бо-
льцмана выбита простая формула
S = klog Т
Нобелевский лауреат академик П.Л. Капица писал, что чем
фундаментальнее открытая закономерность, тем короче ее можно
сформулировать.
Нильс Бор как-то в шутку сказал, что когда человек смутно по-
нимает проблему, он пишет много формул, а как поймет, их остается
в лучшем случае две.
-105-
§ 1.2.5 Исходные процедуры моделирования
Построение (создание, синтез) модели объекта и работа с нер (ее
исследование, анализ, испытания) обозначаются термином модели-
рование. В анлгоязычной литературе этап построения модели носит
название modeling, а исследование модели — simulation.
Моделирование базируется на таких общеметодологических
процедурах (способах, операциях) познавательной деятельности как
абстрагирование и формализация.
Не претендуя на философскую строгость, и желая не отпугивать
читателя ссылками на гносеологию, формальную логику и другие
высокие науки, поясним сущность этих процедур следующим обра-
зом.
Абстрагирование лежит в основе формулирования понятий
(терминов) и обобщения и заключается в:
1) мысленном выделении и фиксации (обозначении) какого-
либо отличительного например, сущностного или специфичес-
кого свойства объекта или некоторого множества объектов,
2) последующем отвлечении внимания от других наличеству-
ющих у объекта или у каждого из указанного множества объектов
свойств и
3) рассмотрении, изучении, использовании в рассуждениях
выделенного свойства как самостоятельного объекта.
Подобный объект называют идеальным или абстрактным. Слово,
обозначающее этот абстрактный объект, или более подробное вер-
бальное описание объекта, по сути дела есть понятие, Как указано
в (л. 68), отделение общих свойств от частных и обозначение их
словом-термином позволяет в сокращенном, сжатом виде охваты-
вать некоторое многообразие объектов, сводить их в определенные
классы, а затем посредством абстракций оперировать понятиями
без непосредственного обращения к отдельным объектам данного
многообразия.
Напрашивающийся пример: стол. Это абстрактный объект. Прос-
то стола не бывает Бывает обеденный, письменный, журнальный,
сервировочный; круглый, овальный, квадратный; складной, откидной.
Приставной и проч.
Заметим, что когда мы определяем на естественном языке то или
иное понятие, то по существу составляем вербальную модель под-
падающих под это понятие реальных объектов, процессов, свойств
и т.д.
К примеру, определение зубчатого редуктора как технического
-1Q6-
объекта, представляющего собой механизм для передачи вращения
от одного вала другому посредством зацепления зубчатых колес, за-
крепленных на этих валах, есть ничто иное, как вербальная модель
редуктора.
Спускоподъемный комплекс буровой установки включает по-
лиспастный механизм, в состав которого входят талевая система с
крон- и талевым блоками, а также талевым канатом и крюк. Само
по себе описание полиспаста в виде перечисления его элементов и
указания на их взаимосвязи без конкретизации особенностей каж-
дого из элементов является вербальной моделью, в которой реальные
детали, узлы обозначаются абстрактными понятиями (шкив, канат,
опора, ось, вал, корпус и т.д.),
Еще один пример из (л. 61), иллюстрирующий, что понятия,
которыми мы оперируем, являются моделями. «Под жидкостью»
- говорится в п. 2 1 - «понимается сплошная среда, у которой в со-
стоянии покоя взаимодействие контактирующих друг с другом частей
сводится только к сжимающим силам давления». А что такое еццрцщая
среда? Продолжим цитирование, «Известно, что рее тела, в том числе
и жидкости и газы, представляют собой совокупность огромного числа
различных атомов и молекул, находящихся в постоянном тепловом
движении и сложных условиях взаимодействия. Однако сложность
этих процессов чрезвычайно ведика, а определяющие их силы не всег-
да известны. Поэтому такое, казалось бы, естественное рассмотрение
движения всей среды путем изучения движения отдельных молекул,
составляющих эту среду, соврешенно неприемлемо. Одним из общих
методов схематизации движения жидкостей газов и других деформи-
руемых тел является метод, основанный на введении модели сплошной
среды (курсив наш-В Ш). Благодаря тому, что в любом существенном
для макроскопических исследований объеме содержится огромное
число молекул, тело можно приближенно рассматривать как среду
заполняющую пространство сплошным образом».
Абстрагирование как мыслительная операция осуществляется
через процедуры анализа, сравнения и констатации общности или
специфичности некоторых свойств реальных (конкретных) объектов,
благодаря чему эти объекты и могут быть объединены или выделены
(операция обобщения) в особую группу (тип, класс, вид, множество
и т.д.), обозначаемую соответствующим понятием.
В диалектическом смысле противоположная абстрагированию
операция — конкретизация, при которой абстрактный объект наделя-
ется какими либо конкретными свинствами, дополнительными к тем,
Которые определяют его сущность или специфичность.
-107-
При конкретизации часто выясняется, что понятия, а в более
широком плане, вербальные модели, которые обозначают, описывают
множества тех или иных схожих в определенном смысле объектов,
оказываются расплывчатыми, неоднозначными, противоречивыми.
Зачастую одни и те же понятия используются для обозначения различ-
ных по сути множеств объектов. Например, косяк: есть дверной косяк,
есть косяк рыбы; словом банка моряки обозначают большую отмель,
но в обиходе—это стеклянный или металлический сосуд (консервная
банка). Столь же многозначно понятие состояния (состояние здоровья,
состояние в смысле богатства).
Бывает наоборот, когда различными понятиями обозначаются
одни и те же объекты. В частности, таковыми являются слова-сино-
НИМЫ-
Читатель, вероятно, обратил внимание на частое использование в
данной книге скобок с пояснениями различных понятий, в частности, в
предыдущем абзаце подчеркнуто, что некоторое объединение сходных
в чем-либо объектов может быть и группой, и классом, и отрядом, и
множеством. Вспомните: в школе Вы были учеником класса, в уни-
верситете - студентом группы, в детском лагере - членом отряда,
на спортивной площадке — членом команды, на производственной
практике работали в бригаде.
Уточнение понятий, при котором преодолевается (минимизиру-
ется) указанная нечеткость, размытость в трактовке, высказывание
{формулирование) утверждений в таких понятиях, терминах, при
которых смысл этих утверждений однозначен и исключается не-
обходимость их толкования, есть этап, определяемый как форма-
лизация, и он всегда наличествует в процессе создания модели.
На этом этапе по возможности, руководствуются известным пра-
вилом: «о терминах не спорят, о них договариваются».
В некоторых книгах, посвященных методологии деятельности,
модели подразделяют на абстрактные и материальные (л. 66,68). При
этом имеют в виду конечный продукт построения модели (модель
- макет, модель — математические уравнения). Мы же ведем речь о
том, что при построении модели, при осмыслении контекста моде-
лирования абстрагирование наличествует в любом случае и является
одной из начальных и наиболее важных мыслительных операций.
Не надо думать, что приведенные выше три пункта, определяю-
щие суть абстрагирования - это некоторый типовой алгоритм. Понят ь
в явлении, в процессе, системе, какое именно их свойство явля-
ется сущностным, и определить его адекватным понятием - это
в моделировании, пожалуй, самая трудная проблема.
-108-
Со школьной скамьи нам известна легенда открытия Ньютоном
закона всемирного тяготения, связывающая это великое достижение
человеческого разума с падением на голову ученого яблока. Ньютону
принадлежат, как известно, формулировки и других основополагаю-
щих законов механики.
Но самое-то интересное ведь не в этом. Самое интересное и самое
поучительное в том, почему людям потребовался не один десяток
тысяч лет, чтобы понять природу равномерного прямолинейного и
ускоренного движения, понять, почему яблоки падают на землю.
Почему только в XVII веке нашелся человек, который смог все это так
объяснить, что его выводы воспринимаются последующими поколе-
ниями людей как нечто само собой разумеющееся. Очень хорошо щ?
этому поводу сказал поэт Юлий Ким:
И после Ньютона и до
С поразительным однщбразъем
Яблоки падали наземь.
И даже смешно, что никто
До Исаака Ньютона
Не почуствовал в этом закона
Оказывается все дело в понятиях, выражающих сущности явле-
ний, процессов, ситуаций и т.д.
До Галилея и Ньютона не было таких понятий как инерция, коли-
чество движения, масса как мера инертности, сила как количествен-
ная характеристика взаимодействия тел. Когда удалось установить,
каковы фундаментальные, сущностные свойства движения и выразить
их соответствующими понятиями, стало возможным вывести всем
известную и очень простую формулу, связывающую ускорение с
силой и массой тела.
Когда А.Эйнштейну стало ясно, что те понятия времени и про-
странства, которые на протяжении тысячелетий были общеприняты,
не вполне адекватны реальности, что эти понятия требуют уточнения,
что пространство изменчиво, а время относительно в силу движения
материальных тел, ему удалось вывести формулу Е=тс2, элементар-
ную на вид, но глубочайшую по сути.
Итак, когда удается установить сущностные свойства оригинала
и описать их адекватными понятиями., у нас есть шанс построить для
него адекватную модель.
Любая конкретная ситуация, любой ТО и любой процесс
характеризуется бесконечным числом свойств и параметров.
Абстрагируясь ог одних и концентрируя внимание лишь на
некоторых, мы сужаем эго бесконечномерное пространство и
- 109-
задаем аспект моделирования. Иначе iсворя, определить аспект
мод ел прова । шя ТО - это определить те его свойства, характеристики,
параметры закономерности, изменения которых, их взаимовлияние нас
интересуют в соответствии с теми целями, которые мы преследуем
при моделировании. Поясним это на примере.
Когда ищут топ-модель с целью рекламирования косметических
средств д м ухода за волосами. то, как правило, выбор производят
среди женщин с длинными здоровыми волосами Их рост, длина ног
в дднном случае решающего значения, похоже, не имеют.
Когда же нужно рекламировать купальники, соответствующая
топ-модедь должна олицетворять собою представления о стройности,
а поэтому иметь длинные ноги и то, что обычно обозначается после-
довательностью цифр 90-60-9Q,
Еще один пример. Определяя динамические нагрузки, испыты-
ваемые талевым канатом буровой установки при спускоподъемных
операциях, в обязательном порядке в соответствующей модели учи-
тывают размеры шкивов талевого и кронблоков, кратность оснастки
полиспаста, свободный ход и жесткость пружины крюка. Параметры
формы крюка, на котором подвешивается колонна бурильных труб,
во внимание не принимается. Когда же рассчитывается крюк, его
геометрия приобретает уже существенное значение.
Таким образом, свойства, характеристики оригинала, значимые
в одних исследованиях и соответствующих моделях, могут оказаться
несущественными и не находить отражения в других.
Именно цели моделирования во многом предопределяют, какие
особенности оригинала можно не принимать во внимание при постро-
ении модели, а на каких нужно сконцентрировагъ все вшгмание. Отоб-
разим сказанное в настоящем параграфе следующей схемой (рис. 25).
Рис. 25. Выбор аспекта моделировании.
В этом секторе рекламы нс приходится видеть женщин негроидной расы, у
которых длинные волосы встречаются крайне редкр.
-110 -
§ 1.2.6 Математические модели и математическое
моделирование
Построение формальных описаний (моделей) объектов, явлений,
процессов, изучаемых различными науками — предмет логики и ма-
тематики. Логика, согласно философским определениям (л. 101), это
учение о том, как правильно (то есть логически) мыслить, и оно как
раз и включает в себя учение о понятиях, определениях, суждениях,
умозаключениях, доказательствах.
Когда у нас есть возможность вводить для обозначения раз-
личных понятий, выражений, связей между ними (синтаксических,
грамматических, семантических) символы, знаки и, руководствуясь
установленными логикой нормами, мы оперируем этими символами
для формулирования описаний объектов, их поведения и т.д., мы
фактически переходим на язык математики.
Математический язык - это язык максимальной формализации.
Для обычного, естественного языка составляются толковые словари,
для русского - словарь В И. Даля, словарь С .И. Ожегова. Юристы
широко пользуются различными комментариями к законам, выпол-
няющими роль, аналогичную трлкорым словарям. Возможность
неоднозначного толкования законов породила известную на Руси
поговорку «закон как дышло — куда повернешь, туда и вышло». Мате-
матика же в толковом словаре не нуждается. В научном мире известно
высказывание И. Канта о том, что в любой науке науки ровно столько,
сколько в ней математики.
Описание объекта с помощью математического языка называют
математической моделью объекта.
Универсальность и эффективность, в частности объективность,
компактность, точность и ясность математического языка сделали ма-
тематическое моделирование одной из основных технологий научной
и инженерной деятельности.
Классификацировать математические модели можно различивши
способами. Например, по тем свойствам ТО (аспектам моделирования),
которые они отображают. В этом случае различают геометрические,
топологические, динамические, логические и т.п. модели (л. 72).
Математические модели могут быть символическими и числен-
ными. При использовании символических моделей оперируют не
значениями входных, выходных и внешних параметров ТО, а их сим-
волическими обозначениями (идентификаторами). Численные модели
могут быть аналитическими, то есть их можно представить в виде
формул, переменными в которых являются определенные параметры и
-111 -
характеристики ТО, или алгоритмическими, в которых связь этих па-
раметров и характеристик выражена неявно в виде алгоритма модели-
рования. Частный случай алгоритмических моделей —имитационные
модели, которые отображают процессы в ГО при наличии внешних,
например, упр гвляющих., воздействий. По характеру используемого
при построении модели математического аппарата различают модели
лингвистические, теоретико-множественные, абстрактно-алгебраи-
ческие, нечеткие, дискретные, стохастические и т.д.
Когда студенты задаются вопросом, чем определяется тот объем
математики, который они изучают в вузе, ответ им можно предложить
такой: они изучают столько математики, сколько нужно, чтобы
1) понимать, сколь эффективен математический язык для
объективного и четкого описания самых разнообразных процессов
и явлений, отдельных объектов и сложных систем;
2) освоить логику доказательныхрассуждений;
3) понять, как составляются математические модели, как
проверяется их адекватность, какова технология этой деятель-
ности, научиться этому применительно к объектам, процессам,
системам, составляющим предметную область их будущей про-
фессиональной дея тельн ости,
4) научиться пользоваться математ1лческими моделями,
работать с ними, в частности, решать с использованием анали-
тических и численных методов уравнения, если математическая
модель представляет собой уравнение или систему уравнений, и
анализировать решения,
5) уметь правильно интерпретировать результаты мате-
матического моделирования, адекватно переводя их на язык своей
про фесс нонильной деятелен ост ;к
Процесс обучения обычно строится по принципу «от простого к
сложному». Если вспомнить и проанализировать те первые арифме-
тические задачки-ужастики про несчастных землекопов, копающих
котлованы под палящим солнцем, постоянно переполняющиеся
бассейны, поезда, вышедшие соответственно из городов N и NN и
мчащиеся навстречу друг другу по одной колее, то станет понятно,
что это были первые уроки математического моделирования, уроки
абстрагирования и формализации.
Что мы вынесли из этих уроков? Что названия городов для
определения момента встречи поездов несущественны, равно как и
количество вагонов в поездах (абстрагирование), что коль скоро мы
интересуемся исключительно движением поездов (аспект моделиро-
вания), а нс количеством перевозимого ими груза или пассажиров,
-112-
то для нас значение имеют лишь координаты и скорости поездов как
функции времени.
Итак, математическая модель это формальный объект. Его иссле-
дование, анализ математическими средствами позволяет по законам
формальной логики делать выводы, которые трансформируются в
утверждения, касающиеся свойств, характеристик, поведения ори-
гинала,
Отнюдь ре все явления, процессы, ситуации также легко форма-
лизуемы, как те, что рассматривались да уроках арифметики.
Найти подход к формализации описания сложных систем, систем
с существенным влиянием человеческого фактора - это и сегодня
центральная проблема их научного анализа и проектирования. Ка-
кой-либо стройной теории здесь нет. Вероятно, ее в настоящее время
невозможно построить в принципе, потому что пока достоверно
не установлены фундаментальные законы природы, управляющие
поведением названных систем (л. 87), не обоснованы вариационные
принципы, которым они подчиняются.
Кроме того, существуют практические ограничения на сложность
моделируемых объектов, связанные с теми инструментами, которы-
ми мы располагаем в сфере установления формальных следствий
из формальных описании ситуаций, процессов и явлений (л. 76).
Совокупность этих инструментов и есть то, что называют словом
«математика». Как бы ни были развиты эти инструменты, существуют
процессы и системы столь сложные, в частности, процессы жизне-
деятельности человеческого общества, что они пока нс поддаются
изучению математическими методами.
Это, однако, не означает, что такие объекты непознаваемы.
Идеологи уже упоминавшегося нового направления в менеджменте,
именуемого «психоинжиниринг», пишут, что эта инженерная «тех-
нология проектирования, создания и управления коллективными
сознаниями основана на математическом моделировании сознания.
Причем две модели - индивидуального сознания и коллективного
сознания - возхникают как два частных случая проявления модели
абстрактного сознания».
Гуманитарные дисциплины, искусство столь же необходимы в
постижении реальности, как и естественные науки и математика. Ма-
тематика, формализуя явление, ставит его в один ряд с родственными
ему, лишая его при этом индивидуальности, неповторимости его черт,
собственных красок. Гуманитарные науки и искусство, наоборот,
фиксируют внимание на этих индивидуальных особенностях явления,
на природе его уникальности.
-113-
Средствами искусства можно анализировать явления сколь угод-
но сложные. Математическими средствами удается изучать лишь те
явления, сложность которых соответствует имеющимся средствам
формального анализа. И оба этих способа изучения мира дополняют
друг друга.
Современная математика, совершенствуя арсенал своих средств,
все шире проникает в гуманитарную сферу.
В частности математическая теория принятия решений, которая
более подробно будет рассмотрена ₽ следующем разделе, пытается
найти способы для объективизации и формального отображения
в математических моделях таких обусловленных человеческим
фактором обстоятельств, как нечеткость постановки задачи, неоп-
ределенность исходной информации о моделируемом объекте, его
состоянии, структуре, параметрах, взаимодействии с внешней средой
(л. 97), Математическая теория нечетких множеств прошла путь от
разработки формальных средств отображения и аппарата обработки
плохо определяемых людьми понятий до моделирования приближен-
ных рассуждений, к которым человек прибегает в профессиональной
деятельности, и даже жо создания компьютеров с нечеткой логикой.
Определенные успехи в математическом моделировании сложных
и плохоформализуемых систем достигнуты на основе синергетического
подхода и развиваемой на его основе теории самоорганизации (л. 72).
Достаточно широкое распространение в практике моделирования
находят математические модели систем, в том числе сложных и плохо-
формализуемых (экономических, экологических, производственных,
политических), построенные исходя из предполагаемой их аналогии
с уже изученными системами.
Однако, если не следовать мудрому предостережению монаха
Голиани о том, что «ошибка человека всегда одна и та же — преждев-
ременное обобщение» (л, 81), то на этом пути легко придти к ложным
выводам. Потому что математическое моделирование плодотворно
лишь при выполнении хорошо известных профессиональных требо-
ваний; четкая формулировка основных понятий и предположений,
строгий апостериорный анализ адекватности допущений, известная
точность вычислительных алгоритмов (л, 87). Прибегая к аналогиям
без должной осторожности, впадая в соблазн расширительного тол-
кования математических понятий, экстраполируя с поспешностью,
достойной лучшего применения, модели некоторых физических и
биологических процессов на человеческое общество, можно придти,
к выводам, а на их основе решениям, способным принести людям
огромный вред.
114 -
Уместно в этой связи привести здесь мудрые слова великого
немецкого поэта II.В. Гете; «Я чту магематику как возвышеннейшую
и понятнейшую науку, покуда сс применяют там, где должно, но не
терплю когда ею злоупотребляют. Словно существует лишь то, что
поддается математическому доказательству. Какая ерунда! Вдруг
кто-нибудь усомнится в любви к своей девушке, потому что она не
смогла доказать ее математически. Приданое, возможно, и подлежит
расчету, но не любовь».
Но будем все-таки рассуждать оптимистично. Будем исходить из
того, что трудное ™ формализации объекта исследования и построения
для него тем или иным способом адекватной математической модели
мы преодолеть сумели. 41 о дальше?
А дальше надо изучать, исследовать, анализировать модель,
экспериментировать с ней как с самостоятельным объектом.
Как указано в (л. 72) моделирование имеет две четко различимые
задачи:
1) создание моделей (в англоязычной литературе - modeling) и
2) установление свойств систем на основе анализа их моделей
(simulation).
И вот здесь возникают чисто математические проблемы. Главные
из них - высокая размерность и нелинейность. И то, и другое сущес-
твенно осложняет, а в большинстве случаев исключает возможность
отображения результатов исследования модели аналитическими
выражениями.
Чтобы справиться с указанными проблемами, как правило, при-
ходится искать пути упрощения исходной модели, находить способы
ее исследования доступными средствами без заметного ущерба для
адекватности.
Одним из мощных средств исследования математических моделей
сложных систем является компьютерное имитационное моделиро-
вание.
Поэтому в общем случае математическое моделирование включа-
ет наряду с построением математической модели разработку вычисли-
тельного алгоритма ее исследования на компьютере (определяемого,
например, выбранным численным методом) и соответствующей
компьютерной программы.
Напомним, что в инжиниринге цель, преследуемая при моделиро-
вании объекта, всегда связана с необходимостью принять решение. Это
может быть проектное решение, касающееся структуры, параметров,
конструкции объекта, условий и норм эксплуатации, программы ис-
пытаний и т.д. Как правило, проектное решение приходится выбирать
-115-
из нескольких вариантов (альтернатив), а поэтому по логике развития
математического моделирования модель объекта должна дополняться
моделью принятия решения так, чтобы вычислительный алгоритм и
программа позволяли оценивать возможные варианты решений по
критериям, определяемым этой моделью.
Математическое моделирование как методология должно пре-
дусматривать, что в процессе исследования модели, включающего
оценку ее адекватности, возможны итерации: уточнение и корректи-
ровка исходного описания объекта, цели моделирования, принятых
допущений, математической модели, алгоритма и программы, а также
критериев оценки вариантов проектных решений.
Итерационный ха-
рактер математического
моделирования отобра-
жается схемой, пред-
ставленной на рис, 26.
Данная схема в целом
аналогична «триаде»,
описанной в (л. 87), но в
ней акцентируется конеч-
ный результат компью-
терного моделирования
- принятие решения.
Рис. 26. Итерационный характер моделирования
При построении математической модели абстрагированию и
формализации существенно помогает схематизация объекта.
Уместно в этой связи поцитировать Ю.Н.Павловского (л. 76):
«математическая модель — это всегда схема явления, процесса, из
которой удалены детали, не существенные с точки зрения целей
моделирования»
Цели моделирования воплощаются в вербальной модели объекта.
Предпочтительно, чтобы вербальные (содержательные по терми-
нологии Бусленко -л. 20, словесно-смысловые - как пх называют
Самарский и Михайлов - л. 87) описания можно было максимально
схематизировать, в частности, отобразить в виде различных схем
- структурных, кинематических, монтажных, расчетных, алгорит-
мических и т.п.
В настоящей книге многие положения иллюстрируются графи-
чески: различными схемами, имеющих вид оринтированпых или
неориентированных графов (рис. 7. 8, 9. 16,24, 26).
В (л. 88) под схематизацией в широком смысле понимается вы-
деление основных факторов, определяющих изучаемые процессы, их
-116-
характеристики, закономерности, и построение модели исследуемых
процессов при помощи простейших образов и уже изученных и вы-
ясненных явлений.
Распространенный способ схематизации - графическое пред-
ставление моделируемого объекта с использованием принятой в
соответствующей предметной области символики.
Расчетная схема позволяет в наглядной форме отобразить, что
исследуется, моделируется, и какие факторы при этом учитываются в
качестве определяющих. В (л. 100) расчетную схему рассматривают
как описание моделируемого объекта, освобожденное от несущест-
венных особенностей).
«Картинка» на рис. 27 есть
расчетная схема для консольно
закрепленной балки (абстрактный
объектпг-понятпе. используемое в
теории упругости),находящейся под
воздействием сосредоточенной на ее
свободном конце нагрузки Р.
При проектировании полиспас-
тного механизма буровой установки Рис. 27. Схема балки.
и расчете (выборе) конструктивных
параметров талевого и кронблоков, оснастки, диаметра каната и т.д.
можно абстрагироваться от конструкции главного и вспомогательного
тормозов буровой лебедки.
Достаточно воспроизвести в модели их совокупную тормозную
характеристику как функцию томозного момента от скорости и положе-
ния крюка. Когда же дело доходит до проектировании тормозной сис-
темы, то конструкция и параметры рычажной системы и пневмо- или
гидроусилителя, тормозного шкива подъемного вала лебедки подробно
отражаются в модели, а полиспаст отображается эквивалентной схемой
(эквивалентной с точки зрения его инерционности и усилия в ходовой
Рис. 23. Буровой полиспаст.
ветви каната (рис. 28).
Итак, отвечая на вопрос,
зачем нужны расчетные схемы
моделируемых объектов, скажем
вслед за Бусленко: расчетная схе-
ма (у Бусленко - формализован-
ная схема) служит промежуточ-
ным звеном между вербальным
(содержательным) описанием и
математической моделью.
-117-
При составлении расчетной схемы находит свое воплощение
принцип «лучше один раз увидеть, чем один раз услышать». Как
невозможно обойтись в детской книжке без красочных иллюстра-
ций, так и при построении модели бывает невозможно обойтись без
расчетной схемы.
Наглядность, информационная емкость и одновременно лаконизм
— вот те преимущества, которые сделали графический язык, графичес-
кую символику общеупотребительными в моделировании.
Постижение смысла вербальной модели, математической модели,
представленной системой уравнений, осуществляется постепенно,
по мере прочтения и уяснения отдельных фрагментов, следующих
один за другим. Нередко при этом случается, что, доходя до конца
текста или длинной математической выкладки, читатель, исследова-
тель, учащийся перестает удерживать логическую нить рассуждений,
возвращается к началу, вновь и вновь осмысливает прочитанное.
Графический же образ, в частности, расчетная схема моделируемого
объекта позволяет разом и целиком увидеть и поэтому скорее и лучше
понять все существенное, что содержит в себе модель, и все детали
ц цюансы поведения оригинала, отображаемые моделью.
Естественно, что должно аргументироваться право исследователя
пренебречь при построении модели теми или иными особенностями
моделируемого объекта, абстрагироваться от них (упомянутый выше
апостериорный анализ адекватности).
Перечисление этих особенностей и указанная аргументация
образуют систему допущений, являющуюся неотъемлемой частью
расчетной схемы объекта. Построение вербальной модели и на ее
основе расчетной схемы ТО являются одними из наиболее ответс-
твенных этапов моделирования,
Заметим, что именно от системы допущений, предположений
постулирующего характера будет зависеть и адекватность модели, и
ее простота.
В классическом курсе сопротивления материалов рассматрива-
ются общие методы расчета на прочность деталей и узлов, широко
используемые в инженерной практике.
В основе этих методов лежит модель деформирования, основанная
на так называемой гипотезе плоских сечений (гипотезе Бернулли), иначе
говоря допущении, что точки твердого тела, принадлежащие некоторой
выделенной в нем плоскости, при деформировании, вызванном вне-
шним воздействием, остаются в общей для них плоскости (л. 100).
При изучении движения жидкостей в трубах широко пользуются
линеаризованной моделью, предло?кенной И.А, Парным (л. 106),
-118 -
Модель процесса строится при допущении о квазистационарнос-
ти, суть которого состоит в том, что характеристики гидравлических
сопротивлений, установленные для стационарных движений, в час-
тности, коэффициент сопротивления X в формуле Дарси-Вейсбаха,
сохраняется и дня нестационарных. Кроме того, предполагается
допустимым потери ца трение для турбулентного течения, пропор-
циональные квадрату средней скорости в сечении, потока, усреднять
и определять по аналогии с ламинарным течением-
В системе допущений, определяющих степень идеализации объ-
екта при его моделировании, как правило, имеются такие общепри-
нятые, само собой разумеющиеся, очевидные, которые принимаются
«по умолчанию».
В приведенном в § 1.2.3 примере с математическим маятником
специально не оговаривалось, что координаты точки подвеса нити с
шариком остаются в процессе движения маятника неизменными. В
примере с U-образным сосудом «по умолчанию» предполагалось, что
сосуд является не деформируемым.
Осуществив схематизацию исходной вербальной модели объекта,
включающую и целый ряд допущений (идеализаций), переходят к сле-
дующим этапам - переводу имеющегося описания на математический
язык, то есть построению (разработке) математической модели объек-
та, а затем ее исследованию различными методами (аналитическими,
численным!, компьютерного моделирования).
Как это делается, демонстрируется в школьном и вузовском
курсах математики, курсах физики и теоретической механики, обще-
инженерных курсах сопротивления материалов, гидравлики, термо-
динамики, теоретической электротехники, теории автоматического
управления и др, Во многом этим же целям служит классический
университетский курс уравнений математической физики, упоми-
навшийся курс моделирования управленческих решений, а также
курсы экономического цикла дисциплин (в частности, «экономико-
математические модели»).
Коротко коснемся так называемых обратных задач математичес-
кого моделирования.
В наиболее общем выражении обратными задачами моделиро-
вания являются задачи отыскания неизвестных причин зафиксиро-
ванных следствий. Соответственно, выявление и анализ следствий
заданных причин — прямые задачи.
Выше, в параграфе 1.2.3 мы упоминали о феноменологических
моделях и моделях сложных систем, имеющих идентификационных
характер.
-119-
При построении этих моделей нередко приходится идти по пути
«подгонки» уравнений, описывающих поведение объекта, под эмпи-
рические данные. Указанные уравнения содержат ряд коэффициентов
(коэффициенты расхода, гидравлических сопротивлений, трения,
теплопередачи и т.д.), значения которых зависят от переменчивых
свойств материалов (к примеру, шероховатость), среды (пористость,
проницаемость), рабочих тел (вязкость, энтальпия), химического
строения (в кинетике - энергия активации) Уточняют (идентифици-
руют) эти значения путем сопоставления результатов моделирования
(аналитического, численного или компьютерного) с имеющимися
опытными данными и минимизации обнаруженного расхождения,
например, с использованием метода наименьших квадратов. Это и
есть один из типов обратных задач моделирования.
В более общей постановке обратная задача включает и «под-
гонку» под экспериментальные данные самой структуры модели (ее
размерности, нелинейности и т.п.). Приведем следующий пример.
В геологоразведочном бурении, бурении шпуров в горнорудной
промышленности, взрывных скважин в транспортном строительстве
применяют виброударные механизмы, создающие дополнительное
импульсное силовое нагружение породоразрушаюшего инструмента
(долота, коронки), которое обеспечивает увеличение скорости про-
ходки.
Все эти механизмы, неважно электрические ли, гидравлические
ли, или пневматические, являются автоколебательными системами.
Они включают поршень - боек, движущийся в цилиндре возвратно-
поступательно и наносящий периодические удары по наковальне,
соединенной с долотом (рис. 29).
Представляя боек массы т
материальной точкой, и совмещая
начало координат с положени-
ем бойка в момент удара его по
наковальни, можем описать его
движение следующей системой
уравнений
dx/dt = г
d v/dt = F (х, vj - TV
где x — координата бойка, v
- скорость бойка; F — силовое
воздействие, создаваемое за счет
привода; N - реакция наковальни
при ударе. Рис. 29. Виброударный механизм.
-120-
Эту реакцию можно смоделировать, а можно вообще не вводить
в приведенные уравнения.
Определить N можно, например, так:
О, х > О
N =
kx+ sv, х<0,
то есть, используя вязко- упругую модель удара. В этом случае
подбор коэффициентов v и s (решение «коэффициентной» обратной
задачи) осуществляется таким образом, чтобы, во-первых, время
ударного взаимодействия бойка и наковальни т было пренебрежимо
по сравнению с периодом автоколебательного процесса Т, а во вторых
скорость отскока бойка при ударе
v0 = v(T+x)
совпадала с экспериментально установленной. Но можно, как
уже было отмечено, силу реакции N в уравнения не вводить вообще,
ограничиваясь моделированием движения бойка в течение одного
периода Т и задаваясь значением v0.
С простейшими обратными задачами все мы сталкивались, толь-
ко-только приступая к изучению алгебры.
Вспомним детскую задачку про двух грузчиков Ивана и Петра,
которые в течение двух дней загружали в автофургон картофель.
Работали они поочередно, и оказалось, что в первый день Иван рабо-
тал 3 часа, а Петр 4, и они вдвоем загрузили 3 тонны картофеля. Во
второй же день Иван работал 4 часа, а Василий - 3, и за эти 7 часов
они загрузили на полтонны картофеля больше. Спрашивается, какова
была производительность работы Ивана и Василия.
Обозначая искомые производительности как х и у, условие задачи
запишем в виде системы двух алгебраических уравнений
Зх + 4у - 3
4х + Зу = 3,5
Легко подсчитать, что у = 3/14 тонны в час, а х = 5/7 тонны в
час.
Таким образом, мы решили обратную задачу: опытным путем
измерили деятельности (следствие) и из уравнений, то есть аналити-
чески определили причину - производительность труда грузчиков.
Бывает так, что даже небольшая неточность измерений, например,
обусловленная небрежностью, может кардинально менять решение
подобной задачи.
Классический иллюстрирующий пример: если
х+ 10у=11
Юх + 101у = 111,
- 121 -
тох=1иу=1. Если же в первом уравнении в правой части
будет стоять не 11, а 11,1, (погрешность в измерении менее 1%) то
получится, что х = 11,1, а у = 0.
Когда в обратней задаче моделирования возможно такое сущес-
твенное влияние на результат небольшой погрешности измерения
исходных данных, математики, следуя Ж. Адамару, относят задачу к
некорректно поставленной иди просто некорректной.
Математики располагают инструментами для преодоления
проблемы некорректности, но это уже выходит за рамки нашего
предмета.
Далее мы переходим к подробному рассмотрению каждого из
основных видов инженерной деятельности, нр предварительно под-
черкнем, что излагаемый в последующих главах материал не явля-
ются руководством по проектированию, технологической подготовке
производства, испытаниям, ремонту и т.д.
Задача, которую мы ставим, состоит в том, чтобы у студентов
сформировалось целостное представление о существе этих видов
деятельности в их взаимосвязях и о содержании работы инженеров,
занятых в этих видах деятельности, их роли и месте.
-122-
ГЛАВА 2.1
Проектирование
§ 2.1.1 Обобщенная модель проектирования
Основным видом инженерной деятельности является проекти-
рование (иногда будем пользоваться термином «проектная деятель-
ность», «инженерное проектирование»). Именно по этой причине
в инженерных вузах в качеств? итогового аттестационного задания
студентам, выпускного курса, как правило, поручается выполнение
дипломного проекта.
Емкую, афористичную трактовку проективания предложил Гас-
парский (л. 29): проектирование-это информационная подготовка
действия, направленного на изменение реальности.
Рассмотрим проектную деятельность с позиций се целей, средств,
технологии и продукта (рис. 6), и начнем с последнего.
Продуктом проектной деятельности является проект.
В обиходе слово проект имеет различные смысловые оттенки.
Его используют двояко: в качестве синонима слов «прожект», «идея»,
«замысел», «затея», а также как определенный вид документации,
В зарубежной литературе для обозначения проекта используются
два различных слова: projektndesingQi. 37,105). Первое применяется,
когда имеется в виду что-либо, что задумывается или планируется,
например, строительство предприятия, постановка нового спектакля,
освоение месторождения нефти, издание учебника, открытие новой
специальности, а второе, когда речь идет о конструировании, о фор-
мировании облика различных объектов.
И в (л. 68) справедливо указывается, что на сегодняшний день
существует два определения проекта: проект как нормативная модель
некоторой системы (и это. как раз dezing) и проект как целенаправ-
ленное изменение некоторой системы, ограниченное во времени и
ресурсах, и имеющее специфическую организацию' (то есть projeit).
Когда речь идет о проектно-конструкторской деятельности, под
проектом подразумевается документированная информация о ТО,
иначе говоря, описание ТО, содержащее информацию,
а) необходимую и достаточную для его изготовления, использо-
вания по назначению, технического обслуживания, утилизации.
б) выраженную в форме, принятой в соответствующей пред-
метной области деятельности, (к примеру, в машиностроении в
форме чертежей и другой конструкторской документации).
-123-
Описание ТО, по которому его в принципе можно изготовить,
получив указанные в проекте потребительские характеристики, и
использовать по назначению в течение установленного срока без «ав-
торского сопровождения», то есть без обязательного участия в этом
тех, кто проектировал ТО, может считаться исчерпывающим (итого-
вым, конечным или полным). Это - «идеальный» вариант, который
практически никогда в буквальном смысле слова не реализуется.
В настоящего главе мы будет рассматривать именно проектно-
конструкторскую деятельность, и нам важно зафиксировать, что
1) продуктом проектирования является информация о ТО
— определенным образом оформленное (в соответствии с нормами л
стандартами, принятыми в соответствующей предметной области)
его описание;
2) указанное полное описание рождается постепенно, и в этом
процессе переработки и генерации информации (процессе проекти-
рования), во-первых, должно наличествовать некое исходное, или
начальное описание ТО и, во-вторых, может быть определен ряд
промежуточных описаний, отличающихся степенью полноты.
В машиностроении полное описание ТО — это ни что иное как
рабочий проект ТО. Примерами промежуточных описаний являют-
ся: техническое задание (ТЗ), техническое предложение, эскизный и
технический проекты.
Ответим на вопрос о целях проектно-конструкторской де-
ятельности,
Типичными ее целями являются создание проекта:
• нового ТО (напомним: ТО в широком смысле - не только как
материального, но и информационного объекта, например, испыта-
тельного стенда и методики проведения на нем испытаний соответс-
твующего оборудования, технологии изготовления и ремонта ТО).
• усовершенствования (модернизации, модификации, реконс-
трукции) существующих ТО или отдельных их элементов в том
или ином аспекте.
Строго говоря, усовершенствование ТО всегда сопряжено с обнов-
лением каких-либо его составляющих, которые становятся объектами
проектирования. Поэтому указанные цели, в принципе, можно было
бы свести к одной. Но мы разделили их намеренно, чтобы различить
ситуации, когда проектируется ранее не существовавший ТО и когда
речь идет об улучшении уже используемых ТО.
Исходя из if елей проектно-конструкторской деятельности и ее
продукта, можно в порядке резюме сказать так: эта деятельность
представляет собой поиск технической идеи удовлетворения опреде-
- 124-
ленной потребности людей, обоснование и воплощение ее в подробное
нормированное описание соответс/пвующего/соответств^ющих ТО
и технологии его/их использования.
Рассмотрим средства проектирования
Средства инженерной деятельности, которые рассматривались
нами в первой главе, в полной мере используются в проектирова-
нии.
Но мы еще раз вернемся к ним, чтобы детализировать то, что для
проектирования специфично.
В (л. 37) описание процесса проектирования («технического»)
начинается с утверждения, что проектирование есть использование
научных принципов + технической информации + воображения».
Первые два слагаемых в этой триаде мы относим к информаци-
онным средствам, третье - к интеллектуальным. Начнем же с пропу-
щенных материально-технических средств проектирован и
В «докомпьютерной» технологии проектирования в качестве
технических средств проектирования использовались:
чертежные доски (кульманы), готовальни, копировальные ма-
шины, другие чертежные принадлежности (обычные и специализи-
рованные линейки, карандаши, лекала и проч.)
В современной технологии
проектирования - автоматизиро-
ванном проектировании - основ-
ным техническим средством
является подключенный к корпо-
ративной сети и интернету ком-
пьютер, параметры которого и
набор периферийных устройств,
как правило, соответствуют
комплектации «графических
ра очих станции». Типичные Рис. 30(a) Рабочее место инженера
характеристики рабочих стан- <<вчера».
ций — несколько процессоров,
десятки - сотни мегабайт оперативной и тысячи мегабайт внешней
памяти, наличие кэш-памятп, системная шина со скоростями от сотен
Мбайт/сек до 1-2 Гбайт/сек. монитор с экраном типа 19» и более и
разрешающей способностью до 3-5 мегапикселей. Набор внешних
(периферийных) устройств включает графопостроители, дигитайзеры,
плоттеры, сканеры, принтеры. Напомним, что дигитайзер позволяет
оцифровывать и псрнсносить в память компьютера чертежи с бумаж-
-125-
Рис. 30(6). Рабочее место инженера
«сегодня».
ных носителей, в частности, калек.
Он имеет вид кульмана, доска ко-
торого (электронная доска) имеет
сетку проводников, и каждому
узлу этой сетки соответствует своя
координантая точка.
В наиболее мощных графичес-
ких рабочих станциях в качестве
основных обычно используются
высокопроизводительные мик-
ропроцессоры с сокращенной
системой команд (пример: RISC-архитектура), работающие под
управлением операционной системы Unix. Это позволяет инженеру-
проектировщику работ ать с таким общеупотребительным в современ-
ной инженерной практике программным обеспечением, как пакеты
Autocad, Caddy, Topcad, ADAMS, Dyna, ANSIS. Pro/Engineer и др.
Разумеется, при проектировании кое-где, по-видимому, еще про-
должают использоваться и традиционные средства, но они перешли
в категорию вспомогательных.
Информационные средства проектирования - это, еще раз
повторим, знания. Не только и не столько те конкретные знания,
которыми обладает проектировщик имярек, а знания, накопленные
человечеством в фундаметнальных и прикладных науках, в той сфере,
к которой относится проектируемый объект.
Эти знания касаются методологи проектирования в целом и в
соответствующей предметной области, тех конкретных методов и
моделей, преимущественно математическими, которые используются
в этой области, истории создания подобных ТО.
Это те знания, которые содержа гея в учебной, научной и спра-
вочной литературе, каталогах и рекламных проспектах, базах данных
и других источниках. Они включают также самые разнообразные
нормативы, стандарты (например, ЕСКД), правила, технические
регламенты и условия (ТУ), руководящие документы (РД), законы
(например, Федеральный закон «О техническом регулировании»),
инструкции и программы, в том числе компьютерные.
Нередко студентам кажется, что некоторые дисциплины, обяза-
тельные для изучения, настолько далеки от их будущей специальности,
что они являются лишними и должны быть исключены из учебного
плана, Подобное ощущение возникает, как правило, тогда, когда ис-
пользуют устаревшие учебные программы данных дисциплин. В боль-
шинстве же случаев это заблуждение. Во-первых, знания нс бывают
- 126-
лишними, во-вторых, вряд ли сегодня есть такие достижения науки
и техники, которые не оказывались бы практически незамедлительно
востребованный при разработке и производстве новых поколений
ТО самого различного назначения. Поэтому пет ничего экзотическое о
или исключительного, когда на рабочем столе инженера-конструкто-
ра буровых лебедок окажется, например, новейшая монография по
нано технологиям.
Слежение за научно-техническим прогрессом в предметных
областях, не только смежных, но и как будто бы далеких от той, в ко-
торой работает инженер-проектировщик, как правило, обеспечивает
подпитку его свежими идеями, поддерживает творческий тонус,
В приведенном в (л. 95) определении понятия проекта техни-
ческой системы (конструкторского проекта), отмечается, что проект
представляет собой описание новой ТС, как правило, основы-
вающейся на одном или нескольких прототипах аналогичных
систем.
Это очень важное обстоятельство. Инженеру-конструктору не-
обходима обширная конструкторская информация. Он должен иметь
доступ к патентным фондам (библиотекам); как правило, в проектных
организациях имеется конструкторская документация по предыдущим
разработкам, атласы, каталоги оборудования (изделий), производимых
другими предприятиями (компаниями), и т.д.
Следует подчеркнуть, что инструментальные средства проекти-
рования сами могут быть предметом проектирования, В настоящее
время уже имеются и создаются различные коммерческие информа-
ционные базы на электронных носителях и доступные через Интернет
по различным видам изделий.
Под интеллектуальными средствами проектирования подразу-
меваются в первую очередь специалисты: те, кто владеет профессией
проектировщика (конструктора) в соответствующих предметных
областях, молодые специалисты, под] ставленные к проектно- конс-
трукторской деятельности, специалисты в области математического
моделирования, инженерного маркетинга, функционально стоимос-
тного анализа технических систем.
Но существует и ряд интеллектуальных профессий, «обслужи-
вающих» проектную деятельность. Это, в частности, специалисты-
компьютерщики (системные программисты, администраторы корпо-
ративных сетей), патентоведы, менеджеры.
Особым статусом следует наделить программные продукты,
которые классифицируются как «системы искусственного интел-
лекта». Речь идет о базах знании, экспертных и других системах
компьютерной поддержки принятия решений. С одной стороны, это
информационные ресурсы проектирования, с другой, они могут
рассматриваться как модели специалистов, обладающих определенной
информацией, востребованной проектировщиками; и в этом смысле
эти системы выступают как интеллектуальные ресурсы.
Переходим к существу проектно-конструкторского процесса,
то есть к технологии проектирования, и этому вопросу будет посвя-
щена вся последующая часть главы.
В учебной литературе по автоматизированному проектированию
(л. 71, 73) следующее конкретное определение процесса проектиро-
вания:
проектирование—деятельностный процесс, заключающийся
в преобразовании исходного описания объекта проектирования
(ТО) на основе работ исследовательского, расчетного и конструк-
торского характера в такое конечное описание, которое необходи-
мо и достаточно для изготовления и эксплуатации этого объекта
в заданных условиях,.
Ключевое слово в этом определении - преобразование. Имеется
в виду переработка, конкретизация, детализация, дополнение, рас-
ширение исходной и порождение (генерация) новой информации,
определяющей ТО, его свойства, характеристики, параметры и т.д..
удовлетворяющей критерию полноты и документально оформлен-
ной.
Критерий полноты означает, что указанная информация содержит
исчерпывающие ответы на вопросы:
• в чем предназначение ТО, какие функции выполняет, кто
является его потребителем, каковы его потребительские качества
(параметры),
• как он устроен, каков его облик, структура, из каких
составных частей, элементов, звеньев он состоит, как они взаи-
мосвязаны;
• как и в каких условиях реализует свои функции, какие
внешние и внутренние (рабочие) процессы при этом происхо-
дят,
• как и с использованием каких материалов изготавлива-
ется, как собирается, монтируется,
• как и кем эксплуатируется, ремонтируется и обслужива-
ется,
• как может быть утилизирован после полной выработки
ресурса,
-128 -
• каковы его цена, эксплуатационные затраты, экономи-
ческая эффективность.
Важно отмотать, что, как правило, ТО - сложная система, вклю-
чающая значительное число взаимосвязанных, элементов (машин,
агрегатов, механизмов, деталей, узлов, и т.п.). Поэтому большинство,
этих вопросов относится как в целом к ТО, так и к отдельным его
составляющим.
Контуры этой системы определяются в процессе разработки
концепции ТО — иначе говоря, еще на стадии концептуального про-
ектирования.
При этом технологически процесс проектирования ТО как слож-
ной системы осуществляется на основе принципов иерархичности
и декомпозиции.
Принцип иерархичности отражает то обстоятельство, что в
структуре ТО могут быть выделены различные уровни интеграции
составляющих его элементов, и при этом последовательность проек-
тирования соответствует иерархии уровней: вначале проектируются
элементы одного уровня, а затем другого.
Так, в технических объектах машиностроения элементом низ-
шего уровня (базовым элементом) является деталь, следующий
уровень иерархии представлен сборочными единицами (соединение?
кинематическая пара, узел), которые в свою очередь являются эле-
ментами механизма и машины. Последние могут входить в состав
агрегата или комплекса оборудования определенного назначения
и т.д.
Принцип иерархичности находит свое выражение в том, что
в проектировании сложных ТО всегда можно выделить сле-
дующие три уровня проектирования:
• системный уровень, на котором решают самые общие воп-
росы, касающиеся структуры ТО и основных особенностей функ-
ционирования, энерго- или информационного обеспечения, условий
использования и т.п.,
• макроуровень, определяющий проектные решения по от-
дельным подсистемам, наиболее крупным и ответственным узлам,
агрегатам, сборочным единицам; эти решения представляют в виде
функциональных, кинематических, компоновночных (монтажных)
схем, сборочных эскизных чертежей,
• микроуровепь, па котором проектируются отдельные детали
и узлы.
Принцип декомпозиции состоит в том, что на каждом уровне
структуры можно выделить отдельные, различающиеся по выполня-
-129-
I
смым функциям, назначению блоки ТО (агрегаты, комплексы и т.п.)
и это позволяет распараллелить проектирование.
В целях иллюстрации блочно-иерархической структуры проектов
ТО рассмотрим структуру буровой установки (рис.31).
1Гип>£м11Ый
K2fCC
I i №|>1М«ф-
(ПфКУтяинон-
iwih
комплекс
Шч 11-1.и<
1 । юдс: ие»н ill К
п< Itifl fl J
крииб их
lutnat
ia г। й шк
* крюь
Ц-'ГгС IlsJ
бприоан
iupMm
ПфИМс’ЛНиМ
▼ ‘llic ! L.
i и 1р:пы11«|«скпя
4.ILTI-
Mill I 111 j чъШд
Сип rhl
npiltnronnc'HlDI
<> paciiiiipcj
V ЩК L4HV1K1J
jkk < mrpa
illciLXUUl
имчарм
Вийр' k-ша
Рис. 31. Блочно-иерархическая структура буровой установки.
Буровая установка (БУ) - это совокупность комплексов обору-
дования, смонтированных на точке бурения и необходимых для вы-
полнения операций, предусмотренных технологией бурения скважин
(л. 46).
Блочно-иерархическая структура БУ позволяет применить при
ее проектировании следующую технологию: проектирование БУ
может вестись раздельно и одновременно по различным блокам
одного уровня, и результаты проектирования, относящиеся к
этому уровню, служат основой для формулирования технического
задания на проектирование элементов следующего уровня. Это и
есть технология распараллеливания.
Указанный принцип проектирования зачастую находит свое
отражение в структуре проектных организаций. Так, в структуре
ВНИИнефтемаша (одного из ведущих научно-исследовательских и
проектных институтов в области нефтяного машиностроения) предус-
матривались отделы: буровых установок, оборудования и инструмента
для спуско-подъемных операций, оборудования циркуляционных сис-
тем буровых установок, буровых насосов, сооружений и специальных
монтажных и транспортных средств.
Следует отметить, что достижения в части осмысления при-
нципов и технологии деятельности люден в явном виде воплощены
- 130-
в архитектуре компьютеров и организации процессов обработки
информации в них. В частности, распараллеливание алгоритмов и
многопроцессорность в современных компьютерах - это то же, что
принцип декомпозиции в проектировании
Вообще деятельность людей выступает в качестве важнейшей
модели при проектировании вычислительной техники. Ничего,
кроме того, что наличествует в человеческой деятельности, в работе
компьютеров нет.
Выделяя в структуре ТО иерархические уровни интеграции его
элементов и соответствующие уровни проектирования, отметим, что,
как правило, в технологии этого процесса сочетаются так называемые
нисходящие и восходящие траектории проектирования. Что это
значит?
Под нисходящим проектированием подразумевается проекти-
рование, при котором проектные задачи соответствующих иерархи-
ческих уровней решаются последовательно в направлении «сверху
вниз». Противоположный порядок решения этих задач — восходящее
проектирование.
Казалось бы, более логично вести проектирование по нисходящей
траектории: от общего к частному. Именно таким образом студенты-
механики проектируют редуктор в своем первом курсовом проекте.
(Вначале решается вопрос, касающийся общей структуры редуктора
- одноступенчатый или многоступенчатый, соосный или не соосный,
далее выполняется компоновка, определяются сборочные единицы,
затем уже уточняется конструкция отдельных элементов: валов, зуб-
чатых колес, опорных узлов, корпуса).
Однако тогда, когда характеристики подобных элементов из-
вестны заранее, а это бывает в случае применения типовых, стан-
дартизованных или унифицированных деталей и узлов, некоторые
конструктивные параметры агрегатов и систем ТО определяются
этими конкретными деталями и узлами, то есть имеет место восхо-
дящее проектирование.
На практике в подавляющем большинстве случаев реализуются
оба варианта проектных траекторий.
Приведенный нами анализ технологии процессу проектирования с
позиций его организации (распараллеливание, нисходящие и восходя-
щие траектории и т д.) важен как сам по себе, так и в плане понимания
того, каким требованиям должны удовлетворять системы автомати-
зированного проектирования, о которых речь будет идти ниже.
В проектировании различают функциональный, конструкторский,
технологический и эксплуатационный аспекты.
-131 -
К функциональному аспекту проектирования пли, функци-
ональному проектирование относят ту составляющую проектных
работ, которая связанна с качественным и количественным описанием
функционирования ТО, с ответом на приведенные выше вопросы о
его назначении, условиях эксплуатации, принципах действия, рабочих
процессах и т.п.
Конструирование включает в себя те проектные работы, которые
связаны с созданием и описанием в виде чертежей геометрического
облика ТО и его отдельных составляющих: деталей, сборочных еди-
ниц, агрегатов в их взаимном расположении в пространстве и т.п.
Проектные работы, касающиеся нахождения, выбора и описания
методов и средств изготовления ТО, относятся к технологическому
аспекту проектирования.
Соответствующим образом определяются проектные работы,
относящиеся к эксплуатационному аспекту проектирования.
Рассматривая основные компоненты проектной деятельности
(цели, средства, продукт, технологию) необходимо иметь в виду, что
данная деятельность как определенная система нс является изолиро-
ванной. Цели и средства проектирования, о которых дала речь, очевид-
но, кем-то ставятся и откуда-то черпаются, чем-то обусловлены.
Чтобы уяснить, каково содержание и как осуществляется эта
деятельность, рассмотрим отдельные составляющие проектирования
как многоаспектной инженерной деятельности, разворачивающейся
во времени. Иначе говоря, попытаемся разложить эту деятельность
на «элементарные акты деятельности».
-132-
§2.1.2 Проектные процедуры и операции
Следуя (л. 73) условимся, что представленная в установленной
форме информация, являющаяся ответом на какой-либо один или не-
которую совокупность вопросов, указанных в предыдущем параграфе,
есть проектное решение, а работы, обеспечивающие в совокупности
получение этого проектного решения — проектной процедурой.
Каждая проектная процедура как единичная составляющая про-
ектного процесса реализуется для решения определенной проектной
задачи и так же, как и весь процесс проектирования, характеризуется
самостоятельной целью, используемыми средствами, содержанием
и результатом - проектным решением (рис. б).
Приведенные в предыдущем параграфе вопросы (задачи) и со-
ответствующие им проектные процедуры могут быть определенным
образом сгруппированы.
В проектных процедурах могут быть выделены проектные опе-
рации, состоящие, в свою очередь, из отдельных, действий.
Поясним суть этих понятий рядом примеров.
Выполнение сборочного чертежа и рабочих чертежей деталей
при конструировании редуктора'-это проектные процедуры, вычер-
чивание рамки чертежа, основной надписи, простановка размеров,
нанесение штриховки на сечениях - это проектные операции, а про-
черчивание отдельной линии - действие.
Проектными процедурами являются поиск и выбор электродвига-
теля по каталогу при проектировании привода ленточного конвейера,
разбивка общего передаточного числа многоступенчатого редуктора
по ступеням, расчет межосевых расстояний, определение фактичес-
кого запаса прочности. Вычисление же коэффициента Кнв, входящего
в формулу для вычисления межосевого расстояния и учитывающего
распределение нагрузки по ширине венца, - проектная операция.
Типовыми проектными процедурами, составляющими процесс
проектирования, являются процедуры анализа и синтеза,
Не будем приводить здесь строгих определений анализа и синтеза
как философских категорий, относящихся к мыслительной деятель-
ности человека. Укажем лишь, что анализ, выполняемый при проек-
тировании, - это установление на качественном и количественном
уровне отдельных свойств, характеристик, параметров объекта и его
составляющих в различных аспектах: функциональном, конструктор-
ском, технологическом, эксплуатационном и т.д.
Иначе говоря, при анализе необходимо решить следующую
задачу: имеется объект (отдельные его блоки, подсистемы, узлы,
-133-
звенья, элементы, процессы) н требуется установить (выявить)
те свойства, параметры, характеристики, которыми он обла-
дает.
Задача синтеза при проектировании обратная: заданы (из-
вестны) некоторые свойства, параметры, характеристики, ко-
торыми должен обладать объект - требуется подобный объект
создать (найти, выбрать из некоторого множества, идентифи-
цировать).
Следует подчеркнуть, что в качестве объекта анализа и синтеза,
разумеется, могут выступать не только изделия в целом, но и сами
их свойства в отдельности, форма, происходящие процессы, инфор-
мация и проч.
При рассмотрении содержания процедур анализа и синтеза мы
будем оперировать такими понятиями, как внешние, внутренние и
выходные параметры ТО.
Выходные параметры количественно характеризуют те свойства
ТО, которые проявляются при его использовании в результате вза-
имодействия с другими объектами, иначе говоря - внешней средой.
К таким параметрам относятся параметры, отражающие в первую
очередь потребительские качества ТО, например производительность,
долговечность, безотказность, энергопотребление и к.п.д..
Внутренние параметры - это количественные характеристики
отдельных элементов ТО, их взаимосвязей и взаимодействий, то есть
это конструктивные (геометрические) и технологические параметры -
параметры, характеризующие применяемые материалы, массу и жест-
кость отдельных звеньев, различные коэффициенты, характеризующие
рабочие процессы, имеющие место при функционировании ТО, напри-
мер коэффициенты трения, местных гидравлических сопротивлений
и проч. Некоторые из внутренних параметров могут одновременно
быть и выходными, в частности, габаритные размеры.
Внешние параметры —это параметры, которые характеризуют
состояние внешней среды (тех объектов, систем, с которыми ТО вза-
имодействует), например, крепость горной породы, температура на
забое скважины и т.п., и которые определяют возможности исполь-
зования ТО по назначению.
К числу принципиальных особенностей проектных процедур
анализа и синтеза является то, что анализ, как правило, дает одно-
значный результат, поскольку конкретный анализируемый объект
обладает конкретными свойствами, параметрами и характерис-
тиками, а синтез, как правило, связан с проблемами реализуемости
и многозначности решений.
- 134-
Первый опыт проектирования, приобретенный будущими ин-
женерами при изучении в вузе на втором-трстьем курсах теории
мaiiiин и механизмов и деталей машин, был связан именно с уясне-
нием существа и выполнением процедур анализа (кинематический,
структурный, силовой, динамический анализ механизмов) и синтеза
(синтез плоских рычажных, кулачковых, зубчатых, фрикционных,
1 идравлических механизмов). В учебниках они могли прочитать (л.
Лсвптский), что, что проектирование любого механизма начинается
с проектирования его схемы, а проектирование схемы механизма по
«данным его свойствам - это и есть синтез механизма. И проектируя
многозвенные механизмы и зубчатые редукторы, они имели возмож-
ность столкнуться с проблемой неоднозначности при решении задач
< иитеза и убедиться однозначности - при решении задач анализа.
В главе 3.2, посвященной вопросам принятия решений, мы
рассмотрим, какие средства могут быть предоставлены в помощь
проектировщику, чтобы сдедать выбор в ситуации многозначности
решений. Один из подходов - метод эталонных моделей, предло-
женный автором, подробно описан в (л. 6), Здесь же укажем, что
когда существует возможность выбирать, то выбирают, как правило,
решение, которое кажется по тем или иным соображениям наиболее
предпочтительным. (Иногда говорят — являющееся оптимальным, и
ДЛЯ подчеркивания этого обстоятельства даже используется термин
оптимальное проектирование - л. 51, 77).
На рис. 32, показаны примеры типовых: процедур анализа и ешь
геза, выполняемых при инженерном проектировании.
Представленную схему не следует рассматривать в качестве
полной классификационной схемы проектных процедур. В частности,
она не включает процедуры выбора и принятия решении: предпоч-
i тельных, рациональных, оптимальных, и т.д,), которые подробно
рассматриваются в следующем разделе. Зачастую процедуры принятия
решений рассматривают в совокупности с процедурами синтеза, пос-
кольку процедура синтеза есть воплощение в определенных действиях
И операциях принятого решения. Но, синтез, как было показано ранее,
характеризуется в большинстве случаев тожественностью решений,
цв этой ситуации имеет смысл выделить в особую процедуру выбор
решения из альтернативных вариантов. Схема носит иллюстративный
члрактер и в целом не требует комментариев.
Выполняя проектную процедуру, проектировщик решает опреде-
ленную задачу и в результате получает соответствующее проектное
|н шение. Ранее указывалось, что проектные задачи подразделяются на
формализуемые и неформализусмые (пли плохо формализуемые). Эго
-135-
mis до
Проектные процедуры
(задачи)
!tri -
оварианныи
i га рамстринесш t т i
структур нын
дипамич.
одноварпан тный
статин) динам ич~
-— Kli HCMtH 11ЧСС” киГг структурный онрозспеннс сФйгмстичес- кич нагрузок, напряжении и ПРОЧНОСТИ определение козфф. ншн- йялентаюстн нагруяч-ния ирп расчете деталей на дояюмчниагк определение неравномер- но и цйдачи насоса определенна внешней карактеджпв- КНДВ1П Тс та определение зависимое tui ь.окг акт 1!ых Напряжений от угла пикни к га зубъ ен в аубчлйгоЙ передаче опрсдсченцс области устойчивости адюкоЛсЬапни определение зависимое hi iLMqjiu iy/гы вибраций епт я от чистоты вращения ВО ш j ф(ф\иигнровп- Ште техничес- ких. требова- ний Проектные расчёты SeOHCT- рукшвных па- раметров (талевой сис- темы буровой установки, переда точных стыошешги ступеней редуктора)
цыйортппа
привода
констру 5грова-
ние
рлзрабетла
функциональ-
ной нрпншнш-
альной, мон-
твжцо/ышо
мвтичесъой
it т п схем
Рус. 32 Примеры типовых проектных процедур.
позволяет аналогичным образом различать и проектные процедуры:
анализа, синтеза, выбора и принятия решений,
Процедуры анализа в проектной деятельности в большей степени,
чем процедуры синтеза и тем более, процедуры выбора и принятия
решений поддаются формализации. Это связано, в частности, с тем,
что цели анализа формулируются более четко, а результаты анализа,
как мы подчеркивали, по большей части — однозначны. И инструмен-
тальные средства анализа более обширны и отработаны. Достаточно
упомянуть такие мощные, эффективные и универсальные методо-
логические средства анализа, как декомпозиция сложных систем,
математическое моделирование.
В зависимости от возможностей формализации задачи синтеза
можно разделить на 5 уровней сложности:
Первый уровень —
задачи параметрического синтеза при заданной (известной)
структуре (конструкции) ТО, решаемые с использованием мощного
арсенала средств математического моделирования.
Второй уровень -
задачи разработки и (или) выбора искомого (предпочтительного)
варианта структуры ТО при весьма ограниченном наборе возможных
вариантов, когда каждый из вариантов может быть проанализирован
- 136-
и сопоставлен по критериям, определяющим выбор, с другими, и при
Этом затраты времени относительно невелики.
Третий уровень -
та же, но в еитуаниихотя и конечного, однако настолько большого
количества возможных вариантов, что простой их перебор связан с
временными ресурсами, которых, как правило, нет.
Четвертый уровень
та же, но количество возможных проектных решений неограни-
ченно, и об их переборе поэтому не может быть и речи.
Пяты й уровень —
та же, но сама возможность синтеза структуры проблематична.
Особенностью задач четвертого и пятого уровня сложности
является то, что при их выполнении, как правило, находятся ори-
гинальные, патентоспособные решения на уровне изобретений.
В заключительной части книги, при рассмотрении эвристических
процедур мы подробно поговорим об изобретательской деятель-
ности и, в частности, о «теории» решения изобретательских задач
Г. Альтшуллера (л. 3, 28).
Удельный вес затрат интеллектуальных ресурсов при выполнении
процедур синтеза, в частности, при конструировании оказывается
существенно большим, чем при анализе, и отчасти поэтому процесс
проектирования часто именуют проектно-конструкторским процес-
сом.
На рис. 33 представлена типичная последовательность проект-
ных процедур, соответствующая рассмотренным ранее принципам
иерархичности и декомпозиции (л. 73), Ядром каждой из процедур
является моделирование.
При рассмотрении приведенной схемы следует особое внимание
обратить на итерационный характер проектирования', оценивая
результат очередной проектной процедуры, проектировщик может (и
это происходит, как правило) вернуться к предыдущим, внося в них
необходимые с его точки зрения коррективы.
-137-
-138 -
§ 2.1.3 Стадии и этапц проектирования
Поскольку проектные процедуры выполняются во времени, то в
процессе проектирования выделяют стадии и этапы.
В различных отраслях инженерной деятельности (предметных об-
ластях) эти стадии и этапы обозначаются по-разному. Общим является
выделение начальной, промежуточных и заключительной стадий.
Заметим, что рамки, определяющие перечень и содержание
работ, выполняемых на этих стадиях., вообще говоря, не являются
строгими.
Обычно к первоначальной стадии проектирования относят
все те проектные процедуры, или, иначе говоря, весь тот объем
работ, результатом которых является техническое задание. Эту
стадию называют стадией предпроектных исследований.
Промежуточные стадии проектирования - это те стадии, в ходе
которых разрабатывается техническое предложение, создаются эс-
кизный и технический проекты Заключительная стадия-это стадия
рабочего проектирования И окончательного оформления рабочей
проектной документации.
Стадии разработки конструкторской документации, то есть доку-
ментации, разрабатываемой в соответствии с техническим заданием,
определены государственным стандартом (ГОСТ 2.103-68, переиздан
в декабре 1983 г.) следующим образом:
Технические предложение -совокупность конструкторских доку-
ментов, которые должны содержать технические и технико-экономи-
ческие обоснования целесообразности изделия на основании анализа
технического задания заказчика и различных вариантов возможных
решений, сравнительной оценки решений с учетом конструктивных и
эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующих
изделий, а также патентные исследования. Техническое предложение
после его согласования и утверждения в установленном порядке слу-
жит основанием для разработки эскизного проекта.
Эскизный проект — совокупность конструкторских документов,
которые должны содержать принципиальные конструктивные реше-
ния, дающие общее представление об устройстве и принципе работы
изделия, а также данные, определяющие назначение, основные пара-
метры и габаритные размеры разрабатываемого изделия.
Технический проект - совокупность конструкторских доку ментов,
которые должны содержать окончательные технические решения, да-
ющие полное представление об устройстве разрабатываемого изделия,
и исходные данные для разработки рабочей документации.
-139-
Следует иметь в виду, что зачастую часть проектных решений,
представляемых в техническом предложении, принимается при
разработке технического задания. Аналогичным образом в эскизном
проекте можно всгретить конструктивные решения, которые являются
более характерными для технического проекта.
На каждой стадии проектирования есть свои этапы. Так,
начальная стадия проектирования включает в себя такие этапы, как
формулирование или формирование общественной потребности, ко-
торую необходимо удовлетворить с помощью ТО, определение соот-
ветствующих потребительских параметров, генерация, поиск и отбор
технических идей относительно принципов и способа удовлетворения
потребности, синтез функциональной структуры ТО, выбор принципа
работы или действия: формирование списка технико-экономических
требований. Стадия рабочего проектирования включает такие этапы,
как изготовление рабочих чертежей, подготовка и оформление сметной
документации, определение условий приемки готового изделия и т.д.
С необходимой степенью подробности перечень этапов и со-
держание работ, выполняемых на стадиях рабочего проектирования,
изложены в (л. 46).
Процесс проектирования может быть представлен в следующем
виде {рис. 34).
Следует еще раз подчеркнуть, что проектирование - процесс
и I ерационный. В ходе выполнения работ, относящихся к любой из
указанных стадий, может возникнут необходимость возвращения
на более ранние стадии. Это и показано на рисунке.
Рис. 34. Стадии проектирования.
-140 -
§ 2.1.4 Концептуальное проектирование. Качество ТО
Как уже указывалось ранее, эффективность использования ТО,
его нонребительские характеристики, конкурентоспособность на
рынке в значительной степени предопределяются теми проектными
решениями, которые принимаются на ранних стадиях проектирова-
ния (разработкатехнического задания, технического предложения,
эскизное проектирование). В связи с этим рассмотрим подробнее
с ержание работ, проводимых на этих стадиях, и в целом определя-
емых как концептуальное проектирование (рис. 35).
“ к — О инженерный Н маркетинг Ц (внешнее проек- Е тпрование) П т анал нз i потреб анализ i потреби качес синтез гостей I синтез гельских гв ТО l-OypQpepb ' СЯС1СМ11Ы1] уродец 1» 2-й уровень макро- 3-Й уровень уровень
У А л Г г ь анализ и синтез функ| цтоиалыгой структуры ТО, выде- ление подсистем
н
О Е П внутреннее анализ и синтез спо- собов реализации функций(принципов действия) 4-й уровень
р проектиро-
О ванне (пред' Е варигельное) К т Предварите анализ и нологическ руКТИБНЪГЧ :льный :иигез тех- их ( конст- решений мпкро- 5-й уровень уровень
И
Р О в н и Е Оптимизация параметров предвар ительных тех hoj ioni- ческих (конструктивных) решений, оформление конструкторской документи- цип 6-й уровень
Рис 3$ Содержание проектных работ на ранних стадиях проектирования
новой техники.
-141 -
Задача исходного этапа (1-й уровень) состоит в определении
цели проектирования ТО. В условиях рыночной экономики эта цель
прежде всего срязана со стремлением получить прибыль, и чтобы
четко сформулировать указанную цель, обосновать возможность и
способ получения прибыли от создания и использования ТО, надо
в первую очередь оценить остроту потребности рынка в этом ТО,
перспективы его успешной реализации.
В подходе к решению этой задачи возможно несколько вариан-
тов.
Первый вариант соответствует ситуации, когда планируется
усовершенствовать (модернизировать) ТО. выпускаемые фирмой,
компанией, предприятием для удовлетворения известной потребности,
и обеспечить его производство в объеме, соответствующем возмож-
ностям эффективно реализовать эти TQ на рынке. Это может быть и
переход к новому модельному ряду, и даже к новому поколению ТО.
Данный вариант в проектировании наиболее распространен.
В производстве и использовании ТО пересекаются интересы
изготовителя, интересы поставщика, интересы пользователя (потре-
бителя) и интересы тех, кто осуществляет техническое обслуживание
(рис. 36).
/ интересы интересыiX
( из*птпвте.1сп^<^р~ Mg -^^пользователей)
I интересы служб /
\ технического /
Х^обслугпп вания у7
Рис 36. Нессовпадение интересов создателей и пользователей ТО.
Целью усовершенствования или модификации ТО может быть
не только улучшение потребительских характеристик, но и, напри-
мер, удешевление производства, повышение технологичности
конструкции. И зачастую новые модификации ТО воспринимаются
неоднозначно: они устраивают одних и не вызывают энтузиазма у
других. Интересы создателей и пользователей ТО совпадают отнюдь
нс во всем.
Во втором варианте потребность, шя удовлетворения которой
намечается спроектировать и наладить производство определенного
вида ТО, также известна., однако речь идет о новых для данного пред-
приятия видах ТО. Примером подобной ситуации в проектировании
- 142-
могут служить программы конверсии предприятий, выпускавших
военную технику.
Третий вариант (встречающийся в практике проектирования
гораздо реже), связан с целенаправленным формированием и внедре-
нием («взращиванием») потребности, слабо осознаваемой или слабо
развитой в обществе, например, по причине кажущейся фантастич-
ности. Возможность ее удовлетворением с помощью ТО, никем не
производимых и отсутствующих на рынке, связана, как правило, с
новейшими достижениями науки и нахождением способов практи-
ческой их реализации.
Если предприятие пытается создать ТО, производство которо-
го могло бы приносить наибольшую прибыль, то, как показывает
практика, успеха ему удастся добиться, скорее всего, в последнем
варианте.
В (л. 80) справедливо отмечается, что, данная стратегия в проект-
ной деятельности предприятий соответствует наиболее высокому уров-
ню социально-экономического и научно-технического творчества.
Ежегодно в мире регистрируются до сотни тысяч изобретений,
касающихся совершенствования различных ТО, несколько меньшее
число изобретений связано с усовершенствованием или созданием
новых технологий, но «изобрести» новую общественную потребность
удается исключительно редко.
Как на пример этой стратегии можно сослаться на часто упоми-
наемую в литературе, посвященной методологии проектирования,
историю создания персональных компьютеров (ПК). Крупнейший и
знаменитейший производитель ЭВМ - фирма IBM-технически была
готовка к выпуску ПК еще в конце 60-х- начале 70-х годов, но про-
водившиеся в фирме проектные работы соответствовали в основном
первому из указанных вариантов стратегии проектирования. И не
эта фирма, а два студента: Стив Джобс и Стефан Возняк, осознавшие
перспективность электронных (компьютерных) игр и возможность
массового спроса на них за счет «возбуждения» в обществе соот-
ветствующей потребности при наличии адекватных средств вычис-
лительной техники, смогли без особых проблем в условиях обычного
гаража собрать компьютер, отнесенный к классу персональных, и тем
самым фактически положили начало деятельности всемирно извест-
ной сегодня фирмы Apple.
Можно привести и другие подобные примеры, в частности,
относящиеся к японскому опыту в робототехнике, мобильным теле-
фонам, космическому туризму, по ограничимся этим и перейдем к
следующему этапу проектных работ.
-143-
На втором этапе, который может рассматриваться отдельно от
первого лишь условно, устанавливаются какие свойства и потреби-
тельские параметры (спецификации) должен иметь проектируемый
ТО. Имеется в виду набор выполняемых функций, их количественные
и качественные характеристики - производительность, мощность,
быстродействие, точность, габариты, вес, надежность, цена, эколо-
гическая безопасность, эстетичность и другие.
Те, для кого предназначен ТО, кто по замыслу создателей будет
использовать изделие, решают вопрос о целесообразности его приоб-
ретения, прежде всего, на основе анализа параметров, относящихся
к критериям эффективности ТО, сравнения их с аналогичными по-
казателями других подобных ТО. Поэтому решения, принимаемые
на втором этапе, являются особенно ответственными. Автомобиль
«Газель» обеспечивает выживание Нижегородского автогиганта в
течение уже длительного периода не потому, что у машины прекрас-
ный карданный вал, замечательные ступицы передних колес и бе-
зызносные уплотнения в гидроусилителе руля. Конструкторы завода
попали «в десятку» по сочетанию таких параметров и характеристик,
как вес, грузоподъемность, мощность двигателя и максимальная ско-
рость, приспособленность к созданию модельного ряда, эргономика
салона.
Естественно, что потребительские качества, или по другой
терминологии - выходные параметры устанавливаются е дости-
жимом диапазоне значений, то есть исходя из наличия объективных
условий, предпосылок для их реализации (общего уровня развития
техники, достижений в области технологий, материалов, на которые
нужно будет ориентироваться, наличия необходимых производств,
оборудования и т.п.). Следовательно, данные условия должны быть
тщательно изучены и проанализированы, и эта работав общем объеме
работ, выполняемых на первом и втором этапах, является одной цз
обязательных составляющих.
Выходные параметры определяют качество ТО, Рассмотрим
более подробно это центральное в проектировании понятие.
В современной технической литературе (л. 78, 95 и др.) качество
технического объекта определяется как совокупность свойств,
связанных с результатами, получаемыми при его использовании
по назначению.
Это определение представляется не совсем точным. Правильнее
говорить не о результатах, а об их оценке.
Отвечая на вопрос., какой буровой насос может считаться хо-
рошим, студенты, а иногда и специалисты часто начинают с таких.
- 144 -
безусловно, важных характеристик, как мощность, приходящаяся
на единицу веса, к.п.д., долговечность, ремонтопригодность, то
есть подходят к вопросу с позиций конструктора. Но мы уже под-
черкивали, что интересы в отношении ТО, а значит и оценки его
потребительских качеств со стороны консгрукторов, изготовителей,
потребителей (в данном случае буровиков), согласуются не во всем.
Болес того, мы говорили, что качество характеризует не столько
сам объект, сколько отношение людей к нему, а оно чаще всего
бывыает неоднозначным.
Если подходить к буровому насосу как к товару, реализуемому в
условиях конкуренции, то с позиций производителя хороший товар
тот, который хорошо продается, принося высокую прибыль. Для бу-
рового предприятия - хорош тот буровой насос, который позволяет
ему получать высокую прибыль от реализации своего товара - сква-
жины. для строительства которых нужен насос. Для буровою мастера,
пришедшего с буровой бригадой на уже смонтированную буровую
установку, в существенно меньшей степени, чем для изготовителя,
важно—сколько весит буровой насос. Ему гораздо важнее такие пока-
затели как максимальное давление, подача, возможности ее простого
регулирования в широких пределах, долговечность, безотказность.
Потребительские свойства ТО характеризуются с помощью
непрерывных или дискретных величин (не обязательно числовых)
— показателей (критериев) качества.
Так как для практически любого ТО можно указать на несколько
подобных показателей, то естественно возникает проблема сопостав-
ленпя-различных ТО имеющих одно и то же предназначение. Один из
сравниваемых ТО может показаться потребителям лучше по одному
критерию, другой - но другому.
В такой ситуации появляется желание как-то ранжировать эти
критерии: например, выделить среди них более или менее «важные»,
попытаться определить «главный» показатель качества.
Используется и другой подход, связанный с установлением не-
коего обобщенного показателя качества Q, вбирающего в себя все
отдельные (частные) критерии q и функционально зависящего от них.
Подробнее об указанных подходах мы поговорим в гл. 3.1.
Следующий этап стадии концеп [уального проектирования - этап
выбора и обоснования функциональной структуры ТО.
Для облегчения понимания того, что под этим подразумевается,
рассмотрим следующий пример.
Чтобы извлекать из недр Земли нефть и газ - важннейшие топлив-
но-энергетические ресурсы, в которых нуждается человечество, нужно
-145-
строить скважины. Отсюда 'возникает цель создания и постоянного
совершентсоваиия технических средств, с помощью которых можно
решать эту задачу (удовлетворить указанную общественную потреб-
ность). Речь идет о комплексе машин и механизмов, составляющих
то, что называется нефтегазовой буровой установкой (БУ).
Эта потребность конкретизируется в потребительских парамет-
рах БУ (предназначенно'сть для суши или моря, глубина бурения, типы
и конструкции скважин, мобильность и проч.).
Проработка вопросов, в каком направлении идет совершенство-
вание технологии бурения скважин на нефть и газ, какими выходными
параметрами должна обладать буровая установка, с помощью которой
может быть осуществлена эта технология, выполняется на первых
двух этапах. Далее же решается вопрос, кдкой вообще должна быть
буровая установка, что она представляет собой в самом общем виде.
И первое, что надо определить - какие конкретные функции должны
быть реализованы в БУ, чтобы с ее помощью можно было бы эффек-
тивно бурить требуемые скважины.
Таким образом, проектируя БУ, инженер исходит из технологии
того процесса, для осуществления которого ТО предназначен.
Совокупность технологических функций и соответствующих
им подсистем: блоков, агрегатов и других структурныех единиц в их
взаимосвязи и образует сложную функциональную иерархическую
структуру БУ (дерево функций), представленную в укрупненном
виде на рис. 37.
Рис. 37. Укупленная функциональная структура бурской установки в виде графика.
-146-
Подчеркнем, что каждый из блоков в представленной схеме,
отражающий одну из макрофункций, может быть разложен на состав-
ляющие, характеризующие функции, более низкого уровня, то есть
функции, обеспечивающие выполнение макрофункции.
Например, для реализации макрофункции «очистка забоя сква-
жины от выбуренной породы» необходимо обеспечить выполнение
функций «транспортировка породы от забоя на поверхность» и «ути-
лизация выбуренной породы». (Описание ТО с использованием иерар-
хической двухуровневой функциональной структуры является одним
из общеупотребительных подходов в проектировании (л. 78, 80).
Вслед за разработкой функциональной структуры ТО должны
решаться вопросы принципов действия или способов, на основе
которых будут реализованы предусмотренные ею функции. В этом
состоит основное содержание работ следующего, четвертого этапа
концептуального проектирования,
Заметим, что когда целью проектирования является усовершенс-
твование или модификация производимого ТО, то, естественно,
функциональная структура ТО, способы реализации этих функций
не разрабатываются заново целиком.
Как правило, в этом случае содержанием работ первых этапов
является уточнение п корректировка реализованных в предыдущих
образцах ТО (прототипах, аналогах) проектных решений, относящихся
к потребительским качествам ТО, его функциональной структуре,
заложенным принципам действия.
Поясним сказанное о выборе способов реализации функций ТО
и его отдельных элементов.
Функция смены изношенного породоразрушающегр инстру-
мента (далее - долота), а также забойного двигателя, если таковой
применяется, может быть реализована по классической схеме: путем
подъема буровой колонны, с которой долото непосредственно или
через забойный двигатель соединено, с одновременной разборкой ее
на отдельные секции («свечи»), из которых она собирается.
Может быть реализован совершенно другой принцип: долото
через забойный двигатель связано нс с жесткой колонной бурильных
труб, а укрепляется на гибком шдангокабеле. наматываемом на бара-
бан большого диаметра (рис. 38а).
Буровые установки подобного типа, предназначенные для бу-
рения неглубоких (300-1000 м.) скважин на морс разрабатывались
Французским институтом нефти с начала 60-х годов. В дальнейшем
эти работы велись в сотрудничестве с российскими НИИ и предпри-
ятиями.
- 147-
В настоящее время койл-
тюбишовых установки для под-
земного и капитального ремонта
скважин (рис. 38(6)) все шире
применяют и в бурении скважин,
в частности, при забуривании вто-
рых стволов.
Может быть осуществлен и еше
один принцип непрерывного режима
подъема с постоянной скоростью, ко-
торый аналогичен тому как вручную
поднимаю! На веревке груз (ведро из
колодца), перехватывая веревку ру-
ками. (Гидрофпцированная буровая
установка Уралмаш-125 НЕ, в кото-
рой реализовывался этот принцип,
иллюстрируемый на рис. 3 7, разра-
батывалась во ВНИИНЕФТЕМАП1с
еще в 70-х годах, (л. 6).
Данный пример иллюстриру-
ет среди прочего, что под принципами действия, закладываемыми в ТО
для реализации тех или иных функций, мы подразумеваем те рабочие
физические процессы (эффекты), которые будут происходить в маши-
нах, механизмах, агрегатах, которые обеспечат выполнение нужных
нам функций.
Другой пример.
Если для реализации
функции транспор-
тировки выбуренной
породы принят ва-
риант промывки с
помощью циркуля-
ционной системы,
в которой должен
соответственно на-
личествовать насос,
то возникает вопрос
- будет ли этот на-
сос прямодействую-
щим или приводным
(рис. 40, л. 60).
Рис, 38 (б}. Кай.чтюбцнговая буровая установка
-145-
Указанное многообразие
идей реализации функциональной
структуры БУ, многовариантность
принципов и способов выполнения
функций техническим объектом в
целом и отдельными его элемента-
ми, порождает проблему выбора.
Она решается с учетом многих
обстоятельств, в том числе техтех-
нико-экономических требовани й.
которым должен удовлетворять ТО
и которые в первом приближении
формулируются на этом же этапе.
Перечень этих требований
наряду с потребительскими показа-
телями качества включает комплекс
Рис. 39. Гидроподъемник БУ показателей технологичности и
Уралмаш 125НГ. трудоемкости изготовления, стан-
дартизации, унификации, патент-
ной чистоты и другие.
Необходимо особо подчеркнуть, что в решении вопросов от-
носительно способа реализаци той или иной функции у инженера-
проектировщика имеется широкий простор для изобретательской
деятельности: то есть эти решения отнюдь не обязательно сводятся
к выбору одного из известных вариантов - они могут быть и изоб-
ретениями.
Рис. 40. Приводной (а) и прямодействующий ( б) буровые насосы.
Рассматриваемым здесь примером концептуального проектиро-
вания буровой установки хотелось бы проиллюстрировать, насколько
важно на всех этапах проектирования подходить к проектируемому
объекту как элементу определенной технологии, ибо выгоднее не
технологию подстраивать под имеющийся или создаваемый ТО,
а, наоборот, создавать ТО под эффективную технологию.
-149-
Еще на так давно наши крупнейшие заводы: Екатеринбургский
«Уралмаш», Волгоградский завод буровой техники (ВЗБТ) в соответс-
твии с принятой тогда концепцией производили комплектные буровые
установки, а ГОСТами жестко регламентировались их классы и соот-
ветствующие этим классам параметры спуско-подъемного комплекса,
циркуляционной системы, привода и т.д. (в этом свое выражение нахо-
дил приоритет интересов производителей, а не технологов-буровиков).
К примеру, производимые в Волгограде буровые установки класса
БУ-2500, то есть предназначенные для бурения нефтяных и газовых
скважин глубиной в диапазоне 2500-4000 м, оснащались насосами
НБТ-600 с приводной мощностью 600 кВт. В то же время по условиям
эффективного бурения буровикам часто бывало необходимым иметь
на этих установках более мощные насосы, в частности, производимые
«Уралмашем» насосные комплексы УНБТ-950. И буровики нередко
шли на то, чтобы заменить НБТ-600 на УНБТ-950.
Эти и другие подобные обстоятельства явились причиной того,
что концепция производства комплектных буровых установок была
постепенно вытеснена концепцией производства отдельных буровых
комплексов (модулей) и машин, из которых формируется (монтиру-
ется, собирается) буровая установка уже непосредственно на точке
бурения, (л. 8). Указанная концепция расширяет возможности гибкой
комплектации БУ различными модулями и позволяет обеспечить
большее соответствие выходных параметров БУ конкретным усло-
виям бурения и тем самым добиваться более высоких показателей в
этой области.
Следующие, пятый и шестой этапы работ, относящихся к
стадиям концептуального проектирования, это поиск, обоснование
и представление в требуемом виде вариантов конструктивного
(технологического) решения в соответствии с принятой концепг1ией
ТО с их сравнительными оценками, описанием структурных и ки-
нематических схем, предварительной конструктивной проработкой,
включая общую компоновку ТО и, кроме того, - расчеты основных
параметров (например, для комплекса механизмов спуска-подъема
буровой установки- кратность оснастки талевой системы, диаметры
каната, шкивов талевого и кронблока, для циркуляционной системы
- мощность, максимальные подача и давление нагнетания насоса).
В ходе этих работ уточняются потребительские и технические ха-
рактеристики, технико-экономические требования с учетом условий
изготовления, комплектации, технического обслуживания.
Методологически разработка вариантов технического воплоще-
ния принятой концепции ТО ведется, прежде всего, на основе ана-
- 150 -
л та известных решений, реализованных не только в аналогичных,
по назначению ТО (если таковые имеются) их отдельных системах,
агрегатах, узлах.
Эта работа требует дос гаточио высокой квалификации и поруча-
ется, как правило, опытным конструкторам, поскольку для ее выпол-
нения нужно хорошо ориентироваться не только в соответствующей
предметной области, знать источники информации и иметь к ним
доступ, следить за патентами, новыми решениями, применяемыми
другими производителями подобных ТО, если они имеются. В этой
работе очень важно знать, что делается в смежных, а иногда и довольно
далеких областях техники.
Простой пример. До сих пор ни «Уралмаш», ни ВЗБТ не произ-
водят серийно буровые установки различной грузоподъемности с так
называемым верхним приводом, иначе говоря, силовым вертлюгом
(рис. совмещающим обычные свои функции с функцией ротора,
то есть вращателя бурильной колонны. В этих установках нет необ-
ходимости в использовании ведущей трубьк<к₽адрата», благодаря
чему существенно сокращается время спуско-подъемных операций.
В отечественных учебниках по оборудованию ДЛЯ бурения глубоких
скважин, в справочниках (л. 6, 39), к сожалению, содержится, прямо
скажем куцая информации о конструкциях верхнего привода, пер-
спективных разработках по этому направлению. Но верхний привод
бурильной колонны широко применяется в производимых в нашей
стране буровых установках
для бурения неглубоких
скважин в торной промыш-
ленности, транспортном
строительстве, а также за-
рубежных установках, пред-
назначенных для освоения
морских месторождений
нефти и газа. Специалист,
обладающий знаниями конс-
трукций этих установок,
следящий за новым буровым
оборудованием, в том чис-
ле применяемым смежных
областях, имеет, очевидно,
больше шансов решать воп-
росы поиска альтернативных
вариантов для обеспечения
приводом.
- 151 -
вращения бурильной колонны и передачи крутящего момента поро-
доразрушающему инструменту.
Итак, концептуальное проектирование включает как этапы, ко-
торые относятся к стадии предпроектвых исследований, таки этапы,
частично относящиеся к стадиям разработки технического предложе-
ния и эскизного проектирования.
В (л. 78) на основе проведенного анализа истории и закономер-
ностей развития техники показано, что за счет оптимизации внут-
ренних параметров ТО, получаемый итоговый эффект не превышает
в среднем 10-30%. Эффект от удачного общего конструктивного (тех-
нологического) решения может достигать уже 30-50%. Еще больший
эффект обеспечивается при реализации в ТО принципов действия. В
качестве наглядной иллюстрации этого утверждения можно привести
такие примеры, как применение телескопических стрел у автокранов,
замена в строительно-дорожных машинах механизмов с гибкими
звеньями (тросами) гидравлическими механизмами, применение в
буровых установках так называемого верхнего привода для вращения
бурильной колонны, то есть силового вертлюга.
Укажем еще на одно обстоятельство, характеризующее особую
значимость решений, принимаемых на самых первых стадиях про-
ектирования.
Известно, что в про цессе испытаний опытных образцов, макетов,
моделей ТО зачастую выявляются недостатки и дефекты, вызванные
ошибками и просчетами, которые были допущены при проектирова-
нии и которые могут иметь как субъективный характер (недостаточная
квалификация конструктора), так и объективный характер (недоста-
точность знаний, накопленных в некоторой предметной области).
Оказывается, что можно внести коррективы в проектную доку-
ментацию и сравнительно легко устранить недостатки, связанные с
неточным выбором конструктивных параметров отдельных деталей,
звеньев ТО (например, угла наклона зубьев в косозубой передаче
или модуля зубьев), конструктивным исполнением того или иного
узла (например, подшипникового) и гораздо сложнее, а подчас уже и
невозможно устранить недостатки, связанные с основными концеп-
туальными решениями: функциональной структурой ТО и способами
реализации предусмотренных функций, выбранными принципами
действия и соответствующим техническим решением.
Этапы, связанные с установлением или уточнением целей
проектирования ТО, ого предназначения, выходных параметров, в
концептуальном проектировании принято определять как внешнее
проектирование (л. 95). Последующие этапы, на которых формируется
-152-
«облик» ТО, относятсятся к гак называемому внутреннему проекти-
рованию (рис. 35).
Рассмотрев содержание работ, выполняемых в процессе концеп-
туальною проектирования, можно так ответить на вопрос о точке
отсчета в цикле жизни ТО.
За эту точку отсчета может быть принято начало целенаправ-
ленной, обеспеченной необходимыми средствами и ресурсами проект-
ной работы по определению функций и установлению потребитель-
ских качеств, которые должен иметь ТО, чтобы он с необходимым
эффектом удовлетворял поставленным цепям при его создании.
Для иллюстрации существа работ, выполняемых на стадии кон-
цептуального проектирования, приведем еще один пример.
В начале 70-х годов в стране были широким фронтом разверну-
ты работы по строительству Байкало-Амурской железнодорожной
магистрали. За несколько лет до этого специалисты научно-иссле-
довательского института транспортного строительства, осознавая
будущую потребность в технических средствах для бурения в веч-
номерзлых породах с включениями валунов и галечника неглубоких
скважин большого диаметра, начали предпроектные исследования в
этой области.
Прежде всего, ими был проведен анализ информации о том,
I) какие параметры скважин необходимо обеспечить для подобных
фундаментов, 2) каким требованиям должен удовлетворять соответс-
твующий буровой станок и 3) имеется ли в мире опыт бурения таких
скважин и если да, то с помощью каких средств.
В процессе этой работы ими было обращено внимание на пуб-
ликации о применении ударно-шарощечного способа бурения при
прохождении крепких пород в нефтяных и газовых скважинах с по-
мощью пневмоударников (механизмов, аналогичных пневматическим
отбойным молоткам, опускаемых в скважину вместе с шарошечным
долотом — л. 93) и было принято решение провести серию экспери-
ментов: испытать в условиях, аналогичных «бамовским», нефтяные
пневмоударники ПШ-145, созданные в Губкинском институте для
бурения скважин шарошечными долотами 0 145 и 169 мм, в качестве
забойных двигателей с буровыми станками СБШ-160, которые серийно
выпускались в то время Министерством транспортного строительства
и были предназначены для чисто шарошечного бурения неглубоких
(до 20 м) взрывных скважин (то есть предназначенных для проведения
взрывных работ) с продувкой забоя скважины воздухом.
Многочисленные испытания на Кольском полуострове, на Пами-
ре, в Приамурье дали положительные результаты. После этого были
- 153-
уточнены те потребительские параметры и характеристики (то
есть внешние и выходные параметры/ которые должен был иметь
буровой станок для ударно-шарошечного бурения скважин под сваи
в вечномерзлых неоднородных грунтах, в частности, значения осевой
статической нагрузки на долото, энергии единичного ударного нагру-
жения долота, создаваемого пневмоударником , и частоты ударов.
В 1975 году были выделены финансовые средства для проекти-
рования и изготовления в короткие сроки опытного образца бурового
станка БТС-500 для бурения скважин глубиной до 20 метров и диамет-
ром 350 и 500 мм. К этому' моменту в проектно-конструкторском бюро
Главного управления механизации строительства Минтранстроя СССР
уже было решено, что функциональная схема станка и способы реали-
зации основных функции могут быть в целом аналогичными тому, что
заложено в станке СБШ-160. Отличия предусматривались в способе
очистки забоя от выбуренной породы (в станке БТС-150 очистка забоя
пневмошнсковая, а в станке СБШ-160 — чисто пневматическая) и в
реализации дополнительных функций, связанных с установкой над
долотом и снятием пневмоударника. Важно подчеркнуть, что в при-
нятии этого решения немалую роль играло то обстоятельство, что при
использовании станка СБШ-160 в качестве аналога станка БТС-150
можно было быть уверенным в возможности его изготовления на том
же Золотоношском ремонтно-механическом заводе (Украина).
Наличие всех необходимых предварительных проработок,
связанных с формулированием концепции бурового станка ударно-
шарошечного бурения, позволило в течение месяца после издания
приказа о создании этого станка подготовить и согласовать во всех
инстанция техническое задание на станок и далее приступить к ра-
бочему проектированию. Опытный образец станка (рис. 42) появился
спустя 10 месяцев, т.е, станок был спроектирован и изготовлен менее,
чем за год.
Заключая настоящий параграф, касающийся содержания этапов
концептуального проектирования, обратим внимание на следую-
щее.
На протяжении многих лет в качестве центральной задачи в
нефтегазовом машиностроении, как, впрочем, и во многих других
машиностроительных отраслях, провозглашалась задача повышения
надежности (безотказности, долговечности, коррозионной стойкости
и т.д.) производимых машин и оборудования, отдельных из агрегатов
и узлов.
На эту тему издано огромное количество учебной и монографи-
ческой литературы. Студенты-механики подробно изучают закономер-
-154-
Рис. 42. Общий вид бурового станка БТС-500.
ности изнашивания, старения, коррозии, овладевают методами расчета
лих процессов и прогнозирования определяемых ими показателей
долговечности. Бесспорно, что современный квалифицированный
инженер обязан знать и уметь применять в своей работе методы и
технологии, обеспечивающие повышение надежности проектируемых
им ТО, увеличение их ресурса, срока службы и т.п.
Цо, как показывает новейшая история развития техники, во мно-
гих случаях в конкурентной борьбе ведущих машиностроительных
компаний на первый план выдвигается проблема морального изна-
шивания (старения) производимого оборудования.
Существо этой проблемы состоит в том, что выходные пара-
метры, характеризующие ТО с точки зрения производительности,
экономичности, металлоемкости, дизайна и эргономики, ремонтоп-
ригодности. экологии, стоимости, и проч., с течением времени пере-
стают удовлетворять потребителя, поскольку на рынке появляются
более предпочтительные изделия, аналогичные по своему назначению
и возможностям применения. (Предпочтительные в том смысле, что
-155-
либо они дешевле при сохранении других потребительских характе-
ристик на прежнем уровне, либо потребительские характеристики
оказываются более высокими при сохранении прежней цены или
несущественном ее изменении).
И если интенсивность физического изнашивания изделий опре-
деляется как конструктивными решениями, реализованными в этом
изделии, так и технологией его изготовления и в особенности тем, как
оно эксплуатируется, то быстрота морального изнашивания в наиболь-
шей мере зависит от решений, принимаемых в ходе концептуального
проектирования. И это обстоятельство лишний раз доказывает, что в
подготовке современного инженера-конструктора развитие способ-
ностей к проектированию на концептуальном уровне приобретает
важнейшее значение.
Закономерность морального изнашивания (устаревания) уклады-
вается в общие закономерности развития техники, которых являются
предметом серьезных исследований в философии техники. Они из-
ложены во многих книгах, адресованных инженерам, в том числе в
(л. 79), и мы коротко рассмотрим их в следующем параграфе.
Итерационный характер траектории проектирования в целом и
концептуального, в частности, хорошо отражает представленная ниже
схема, заимствованная из (л. 15).
-156-
Design
documentation review
and approval
___ 7
Yes
No
Preliminary d sign
Functional analysis, allocation, trade-off
studies, and optimization
i
Design definition and documentation
of subsystems, units, and major assemblies
Detail design and development
Feedback Loop
Trade-off studies, synthesis, optimization,
selectron of components, development of
mockups and prototype models, test and
evaluation
♦
Detailed definition of design and
complete set of design documentation
Release of design documentation for
production and/or construction
-157-
§ 3.1.5 Эволюция и закономерности развития техники
Один из мудрецов прошлого оставил потомкам грустное изрече-
ние: «первый шаг младенца есть шаг к его смерти».
Нечто похожее можно сказать и в отношении ТО. Рекламируе-
мые новейшие образцы техники на самом деле несут на себе печать
морального устаревания.
Дело в том, что в тот период времени, пока проектировался, изго-
тавливался и проходил испытания новый, ранее не производившийся
или усовершенствованный ТО, мир обогатился новыми научными
знаниями, бодре эффективными или новыми технологиями, которые
не были использованы при создании данного ТО.
Вы строите дом, ремонтируете квартиру, меняете сантехнику.
Приобрели самые, казалось бы, современные материалы, оборудо-
вание и т.д. Дело подходит к корцу, и вдруг в продаже появляются
новые, более совершенные в эстетическим или функциональном плане
образцы. Да, более дорогие, но ведь не намного- И вы рады были бы
произвести замену, но, увы, уже ничего не можете изменить Ситуация,
думается, знакома многим
Затевая проектирование того или иного ТО, мы стремимся про-
длить его жизнь, отдалить тот момент, когда его моральная изношен-
ность будет очевидной.
Средняя продолжительность жизни биологических видов опре-
деляется на генетическом уровне, она генетически запрограммиро-
вана.
Среднее время, отпущенное для «жизни» ТО, также не является
случайным, оно предопределено закономерностями научно-техни-
ческого и социального прогресса, закономерностями (не решаемся
называть их законами) эволюции техники, выявленными в результате
скупулезного анализа истории ее развития.
Незнание этих закономерностей снижает профессиональную
компетентность инженера-проектировщика.
Рассмотрим некоторые, на наш взгляд наиболее важные для про-
ектировщиков закономерности развития техники, следуя (л. 79).
1. Закономерность прогрессивной эволюции технических
систем.
Суть закономерности состоит в следующем. В историческом
плане ТС (ТО) конкретного назначения (автомобили, холодильники,
телевизоры, металлообрабатывающие станки и т.д.) характеризуются
принадлежностью определенным поколениям На современном этале
-158-
развития цивизизации смена поколений ТО происходит уже на глазах
одного поколения людей. Свежие примеры: ЭВМ первого поколения
создавались в конце сороковых - начале пятидесятых годов прошлого
века, а используемые нами сегодня компьютеры относятся к пятому
поколению средств вычислительной техники. Смена трех (четырех)
поколений мобильных телефонов произошла в течение 15 лет.
Новое поколение ТС. как правило, имеет отличия от предыдущего
в функциональной, структуре, используемых принципах действия,
конструкциях
В каждом поколении ТС их развитие идет по траектории обнов-
ления модельного ряда. Здесь под моделью подразумевается образец
ТС. наиболее полно отображающий существеннее характеристики
своего поколения на соответствующий исторический момент, Новый
модельный ряд отличается от предыдущего в основном конструктив-
ным исполнением, Которое обеспечило улучшение определенных
потребительских показателей.
Обычно в производстве и использовании ТО смена модельного
ряда, а уже тем более поколения происходит постепенно. Имеет место
ситуация, когда одновременно производятся новые и предыдущие
модели, и люди вполне успешно испол ьзуют ТО ранних поколений.
Ваз начал выпуск легковых автомобилей в 1970 году и 30 лет
производил машины одного поколения, к которому относились 7
моделей: от ВАЗ 2101 и до ВАЗ 2107. С 1989 года завод параллельно
выпускал машины следующего поколения, к которому относились
модели ВАЗ 2108, 2109. «Самара».
Закономерность прогрессивной эволюции техники дает ответ на
вопрос, как происходит смена моделей и поколений, какова наибо-
лее вероятная траектория этого развития. А она представляет собой
последовательность ряда соподчиненных циклов.
С момента, а порой и до запуска в производство новой модели ТО
начинается ее усовершенствование, поскольку всегда есть надежда на
возможность улучшения какого-либо показателя качества не в ущерб
другим. В первую очередь, это делается путем модификации, можно
сказать, улучшения конструктивных и технологических, параметров (в
смысле такого их изменения, при котором улучшаются определенные
показатели качества). Это могут быть размеры некоторых деталей, чис-
тота и твердость поверхностей, мощность источника энергии и т.п.
Когда возможности достижения эффекта на этом пути оказыва-
ются исчерпанными, модернизация модели осуществляется за счет
новых конструктивных решений, то есть новых способов реализа-
ции функциональной структуры и используемых в ТО принципов
-159-
действия, 11ередко эти способы и соответствующие им конструкции
являются изобретениями.
Внеся изменения в конструкцию, начинают вновь оптимизировать
параметры.
Подобный цикл может быть повторен вновь и вновь, и когда
конструктивные изменения становятся существенными, речь уже идет
о производстве новой модели.
Но очередной цикл может быть прерван внесением кардиналь-
ных изменений в принципы действия ТО в целом или отдельных его
подсистем, добавлением новых функций и преобразованием функ-
циональной структуры.
Рис. 43. Иллюстрация модернизации моделей и перехода к новому поколению ТО.
Возрастание числа реализуемых ТО функций при переходе к
новым моделям и поколениям ТО является одним из проявлений
закономерности прогрессивной эволюции ТС и проиллюстрировать
ее можно на множестве примеров.
2. Закономерность соответствия между функциями и струк-
турой технического объекта.
Наблюдая и изучая окружающий мир, люди обратили внимание
на наличие удивительного соответствия между функциями (назна-
чением) определенных органов живого организама и их формой,
анатомией, структурой. Живые организмы, имеющие одинаковые или
близкие функции имеют схожие структуры. То же характерно и для
технических объектов.
В структуре правильно спроектированного и нормально (штатно)
работающего ТО каждый элемент (блок, узел, деталь) и его конс-
труктивный идентификатор (основной параметр — материал, форма,
компоновка и т.д.) несет определенную функцию, обеспечивающую
работу ТО в целом. И если лишить ТО любого элемента, то он либо
перестанет работать (не сможет использоваться по назначению), либо
потеряет свою эффективность.
-160-
Одним из ярких проявлений даннойзакономерцости является то,
что у хорошо споектироваиных ТО нет «лишних деталей».
Другим ее проявлением являются оптимальные соотношения па-
раметров в «лаинестойкпх» ТО, мниимизированность компоновочных
затрат, симметрия, а гакже ряд других свойств (л. 79), в час тности, вопло-
щение в облике, конструктивных параметрах правила золотого сечения.
Данная закономерность является инструментом морфологичес-
кого анализа ТО (л, 74). Этот метод при проектировании ТО широко
используется в поиске эффективных технических решений (конструк-
тивных решений), принципов действия различных его подсистем.
Он позволяет выявлять и отбраковывать решения, в которых
присутствует избыточность узлов, усложненность конструкций.
3. Закономерность циклического изменения объемов произ-
водства.
Данная закономерность отражает наличие упорядоченности в
последовательности жизненных циклов ТО одного и того же основ-
ного предназначения.
Суть ее состоит в том, что период производства каждой новой
модели в указанном классе ТО включает четыре фазы (рис. 44}'.
- освоение производстве и доводка изделия, при этом объем
производства невелик и возрастает медленно;
- интенсивный рост объемов производства, обусловленный
адекватной оценкой потребительских качеств ТО на рынке и возрас-
тающим спросом, освоение разнообразных модификаций ТО;
— замедление роста и стабилизация объема производства ТО,
связанная со стабилизацией и определенным снижением спроса, с
одной стороны, из-за насыщения рынка, с другой, из-за появления
конкурентных образцов:
-161 -
быстрое сокращение, а затем и свертывание производства ГО
в связи со снижением его конкурентоспособности по сравнению с
новыми моделями или новым поколением аналогичных по назначе-
нию ТО, происходи! пропорционально рост}' объемов производства
последних.
При этом, первая и вторая фазы Р 1-ой модели по времени в
значительной степени совпадают с третьей и четвертой фазы i-moii
модели. Продолжительность жизненных циклов новых моделей из-
делий независимо от их назначения имеет тенденцию к сокращению
в процессе исторического развития техники, о чем мы уже говорили
выше.
Рассматриваемая закономерность имеет прямое отношение к
вопросу о построении модели морального изнашивания ТО. Точка
D на представленном на рис. 44 графике и есть тот момент, начиная с
которого наступает стадия морального устаревай ня соответствующей
модели ТО.
На основе 1), обработки с использованием методов теории ве-
роятностей и математической статистики фактических данных о
продолжительности основных фаз производства отдельных моделей
и поколений ТО на достаточно продолжительном отрезке времени,
и 2), экстраполяции полученных вероятностных зависимостей на
ближайшее будущее, можно разрабатывать такую производственную
стратегию предприятия, которая обеспечит своевременный запуск в
производство новых моделей ТО и сохранение конкуретноспособнос-
ти предприятия в соответствующем секторе рынка товаров и услуг.
Hapz/c. 45 представлены два поколения полупогружных буровых
установок (ППБУ), производившихся соответственно в начале 80-х и
90-х годов прошлого столетия.
Рис. 45. Два поколения ППБУ
- 162-
§ 2.1.6 Проектирование и маркетинг
Для обозначения существа работ, относящихся к внешнему
проектированию, в литературе в ряде случаев используется термин
«маркетинг».
Распространено представление, что маркетинг - это одна из сфер
деятельности специалистов с экономическим образованием, поскольку
в основе этой деятельности лежит изучение рынка, прогнозирование
его развития, определение перспектив с точки зрения возможностей
сбыта и получения прибыли той или иной продукции.
Оказывается, что и это вид инженерной деятельности, или более
конкретно, составляющая проектной деятельности.
Действительно, к важнейшим задачам маркетинга (мы будем
пользоваться уже принятым в мировой литературе по маркетингу
гермином «инженерный маркетинг»), как подчеркивается в (л. 78),
относятся определение направлений модернизации традиционной
продукции, поиск новых возможностей ее применения, организация
интенсивных научно-исследовательских разработок по новым видам
продукции. Очевидно, что, не располагая знаниями относительно
новейших достижений в области науки и техники, технологий и
материалов, невозможно обоснованно подходить к вопросу удовлет-
ворения общественной потребности с помощью вновь создаваемых
ТО, ибо бессмысленно пытаться удовлетворять потребность с помо-
щью ТО, технически не реализуемого на данный момент времени,
или реализуемого, но со слишком значительными затратами.
Таким образом, в маркетинговых исследованиях должны учас-
твовать специалисты, имеющие инженерную подготовку, и в целом,
маркетинг — это та область, где требуются интегрированные знания:
рыночной экономики, социологии, социальной психологии, инже-
нерного дела.
Сказанное не следует понимать так, что всеми этими знаниями
непременно должен обладать один специалист. Речь идет о том, что
проектирование в целом и его составляющая — инженерный марке-
тинг это, как уже неоднократно подчеркивалось, коллективистская
деятельность, и лица, участвующие в этой деятельности, должны
быть подготовлены к согласованным действиям. Квалифицированный,
«умеющий хорошо работать» инженер-проектировщик безусловно
имеет представление о сущности маркетинга, о задачах, решаемых с
его помощью, о значимости в его работе этих задач и получаемой в
ходе их решения информации
В деятельности, связанной с инженерным маркетингом, нередко
-163-
находит практическое воплощение известное правило: «все новое - это
хорошо забытое старое». Обусловлено это тем, что многие техничес-
кие идеи и разработки, оказавшиеся невостребованными в свое время
по причине отсутствия необходимых условий для их реализации, в
последующем могут оказаться чрезвычайно актуальными.
Так, описанный в предыдущем параграфе гидроприводной
спуско-подъемный комплекс буровой установки с непрерывным дви-
жением инструмента, разработанный во ВНИИНЕФТЕмаше в конце
70-ых годов, оказался не реализованным из-за целого ряда причин,
менее всего связанных с существом проектно-конструкторских и
технологических решений, имеющих место в этой разработке. Для
серийного изготовления подобных установок требовалось создать
новые производства, которых в то время не было в стране. Нужно
было, в частности, наладить производство мощных аксиально-пор-
шневых насосов с регулируемой подачей, гидроцилиндров длиной
16 м и более, создать инфраструктуру по техническому обслужива-
нию гидрофицироранных буровых установок, подготовить кадры
соответствующих специалистов. Все это требовало непомерно боль-
ших затрат, а достаточной уверенности в быстрой их окупаемости
не было. Поэтому указанный проект нс был воплощен на практике.
Однако нет никаких оснований полагать, что принцип непрерывного
спуско-подъема бурильного инструмента останется нереализованным
И в последующем.
То же можно сказать и о технологии бурения нефтяных и газовых
скважин обсадными трубами. Эта технология связана с использова-
нием механизмов, которые позволяют породоразрушающий инстру-
мент, диаметр которого в рабочем положении превышает диаметр,
поднимать через трубы на поверхность, заменять и опускать на забой.
Работы в данном направлении активно велись в Губкинском универ-
ситете еще в 50-е - 60-е годы прошлого столетия под руководством
профессора Я.М. Кершенбаума, затем наступил долгий перерыв, но в
настоящее время технология бурения обсадными трубами стала одной
из востребованных и реализуется на практике.
Вопрос о том, какая продукция и с какими потребительскими
качествами может оказаться наиболее перспективной в плане ее осво-
ения, продвижения на рынке и получения высокой прибыли, является
чрезвычайно трудным.
Здесь многое решает случай, угадывание (трудно под дающееся ло-
гическому обоснованию).. В связи с этим крупные компании формируют
из своих прибылей специальные фонды для финансирования поисковых
- 164-
рабог, связанных с проектированием новых образцов техники. В этих
компаниях создаются структурные подразделения, функционирующие
как «генераторы идей», могущих стать перспективными.
Специалисты в области биологической эволюции, последователи
Ч. Дарвина высказывают предположение, что в живых организмах,
преимущественно у самцов, под влиянием внешних условий проис-
ходят генные мутации. Те из них, которые обеспечивают соответс-
твующей особи преимущества и по этой причине делают ее (особь)
привлекательной для самок как способной обеспечить сильное по-
томство, закрепляются и в последующем становятся нормой. Этот
втроенный в организм механизм генерации случайных генетических,
мутаций в совокупности с алгоритмом закрепления полезных свойств,
по-видимому, является одной из составляющих сложного механизма
саморазвития, наличествующего у всех живых существ. Подразделе-
ние генераторов идей на предприятии, в сущности, должно выполня ть
пдхожую функцию - обеспечивать его саморазвитие.
Остановимся еще на одном принципиальном аспекте внешнего
проектирования. Естественно, что, задаваясь целью выявления перс-
пективных направлений в разработке новых видов ТО, нужно исходить
из технически реализуемых потребностей общества. Однако для
понимания актуальности, остроты этих потребностей недостаточно
быть просто технически грамотным специалистом. Чтобы адекватным
образом ориентироваться в этих вопросах, необходимо иметь соответс-
твующую гуманитарную подготовку (еще одно квалификационное
требование к инженеру, претендующему на умение работать).
Речь идет о том, что гуманитарная составляющая в инженер-
ной подготовке, роль которой, как правило, подчеркивается с
точки зрения обеспечения требуемого общего культурного уровня
специалиста с высшим образованием, приобретает все большее
значение как компонента его профессиональной подготовки.
Возьмем, в частности, такие аспекты гуманитарных знаний и
представлений, которые касаются ценностных приоритетов, приня-
тых в обществе, этнических и исторических традиций в культуре,
этике и эстетике. Указанные факторы оказывают весьма существенное
влияние на конкретное проявление различных общественных пот-
ребностей, и, следовательно, на стратегию в проектировании новых
видов ТО, в частности, на представления об оптимальных их потре-
бительских качествах и па принятие решений, которые оцениваются
как хорошие как плохие.
Проиллюстрировать этот гсзис Можно множеством примеров.
Приведем один из них.
-165 -
В недалеком прошлом для нашего общества был характерен
приоритет общегосударственных интересов во всех видах индуст-
риальных производств, а среди этих видов производств наивысший
приоритет всегда имел оборонный комплекс.
Воспитанные в государственных вузах в соответствии с этими
приоритетами, инженеры-конструкторы, технологи, материаловеды
научились, умели и умеют на самом высоком уровне решать зада-
чи, связанные с созданием военнокосмической и другой подобной
техники, по меньшей мере, не уступая в этом никому в мире. Но, к
сожалению, с несколько меньшим успехом им удавалось создавать
оригинальные и конкурентос пособные на мировом рынке технические
объекты индивидуального потребления, то есть ориентированные
па отдельного человека, призванные удовлетворять его личные, а не
государственные (не всегда совпадающие с личными) потребности
(это практически вся бытовая техника, вся сфера производства товаров
народного потребления, начиная от легковых автомобилей и кончая
водопроводными кранами).
Инженеру, не воспитанному на приоритетах общечеловеческих
гуманистических ценностей, на значимости для общества потреб-
ностей отдельной личности, на соответствующих этим потребностям
стандартам качества, может просто не прийти в голову, (да и не при-
ходит - это мы видим в повседневной реалии) если ему, например,
поручат сформулировать концепцию современного городского пасса-
жирского автобуса-что один из входов в автобус следует выполнить
в виде микролифта (специальная площадка с помощью гидро- или
пневмопривода опускается вниз для того, чтобы легко мог войти на нее
инвалид, а затем она поднимается до уровня пола салона автобуса).
-166-
на применение определенных марок и сортаментов, комплектующих
деталей и узлов, видов топлива и т.п,;
На всех стадиях и этапах проектирования инженеру следует
учитывать н использовать указанные подходы.
Приведем пример того, как соображения унификации учитыва-
ется при формировании потребительских характеристик бурового
оборудования.
В конце 60-х годов прошлого столетия в СССР под руководством
проф. Бержеца (л. 16) была выполнена работа по унификации буровых
установок. Понятие унификации в ГОСТ Р 1.0-92 (п. 3.22) определя-
ется как выбор оптимального числа разновидностей продукции, про-
цессов и услуг, значений их параметров и размеров. Впоследствии на
основании предложенных в этой работе подходов был принят ГОСТ
16293-82 «Установки буровые комплектные для эксплуатационного и
глубокого разведочного бурения, который регламентировал нормаль-
ный ряд буровых установок. ГОСТом устанавливалось 11 классов
буровых установок, определяемых допускаемой нагрузкой на крюке,
впрямую связанной с возможной глубиной бурения. В соответствии с
этим главным параметром определены и другие важнейшие парамет-
ры БУ - параметры спускоподъемного комплекса, циркуляционной
системы, ротора. Фрагмент основной таблицы ГОСТа представлен
выше (табл. 5).
К чипу технологических критериев эффективности ТО, таких
в частности, как ремонтопригодность, трудоемкость изготовления,
технологичность конструции, относится и критерий станрдартизации
и унификации (л. 95).
Определяется он до следующей формуле
1 = 1,4
где/Г — соответственно, количество стандартных элементов ТО,
являющихся комплектующими для пего, число унифицированных
элементов, заимствованных из других производимых ТО, число
оригинальных узлов и деталей, изготавливаемых по существующим
технология, количество элементов, требующих для своего изгогтов-
лепия разработки новых технологий, сложной оснастки; Z< - соот-
ветствующие весовые коэффициенты.
Критерий стандартизации и унификации тем выше, чем более
выражен фактор наследственности в технике, приемственность в
отношении проверенных практикой конструктивных и технологи-
ческих решений.
-169-
Таблица 5. Параметры буровых установок по ГОСТ 16293-82.
раметров для класса буровых установок я 10000 1 16000 0,1-0,25 3000-4000 7x8 (И) 4144 1400; 1500 800-950 1 * 1 33-40 мачтовая четырехопорная 20000
1—’ о о о ос 12500
о 6300 10000 000£ -ooze сю СТ? 38:42 1365; 1400 009 935; 1540 15000 О ——и
ОХ (1000S 18000 я 1500- 2000 7x8 (14) 35;38 1285; 1365 О о 4П 935; 1540 10000 Ot
сю с о о 6500 1100- 1500 1 6x7 1 (12) 3235 о кП о ОС О гч 420 о <г> LQ S S ОО *3" ’’Г СЧ 1 гч мачтовая 45 45.3 8200 чо
Г' 3200 5000 s§ о —< 6x7 (12) 1000; 1285 сП 685; 1373 1 'О
40 1 2500 1 4000 670- 900 5x6 (Ю) сч & £? S От 1—< о о 1 600; 800 1243; 1030 4200- 6Ш) \о
, 2000 3200 550- 670 5x6 (Ю) 28:32 - " о о о О <3> О 240 4200 40
Значения па] *г 1600 2500 о р 5 4x5(8) 25:28 о 2 о S? оо о\ 225 . 500; 550 1190; 800 Я‘81 31:32 3200 чр.
сл О гч ' 1 2000 300- 440 i (8) Я1? 22-28 700- 900 081 t i ©О *—4 31:32 2000- 3000
1000 U600 240- 360 сх? X Я & 700 800 145 1 1 i 17-21 1 1 МП
— 800 I 1250 200- 240 4x5(8) гЗ 700; 800 «л г-< 1—4 1 * 1 к
Наименование показателен Лот скаемая нагрузка на крюке. кН. [Условная глубина бурения, м Скорость подъема крюка при расхаживании колонны, м/с Скорость подъема крюка (без нагрузки), м/с, не менее Расчетная мощность на входном валу лебедки' ,кВт Тип оснастки талевой системы (передаточное число - кратность) Диаметр талевого каната, мм Диаметр шкивов талевой системы*’по дну желоба, мм Макс усилие в тяговой струне. Размеры барабана лебедки, мм*’ диаметр длина ина свечи бупильпыхтоуб, и*’ Тип вышки*’2’ Полезная высота вышки*’, м Вместимость магазинов м Высота оснований (отметка пола буровой), м, не менее
S. ГЧ СП ЧЭ Г* ОС сь о г—* t—-d 03 СП t-Ч 14
170-
§ 2.1.7 Нормирование проектных решений
В любой деятельности - научной, инженерной, политической,
спортивной, педагогической, литературной, кинематографической
- имеются свои рамки, правила и нормы, которые со временем пре-
терпевают естественные эволюционные изменения. Далеко не все из
них зафиксированы в официальных документах: уставах, положениях,
инструкциях, кем-то подписчицы и утверждены. Есть правила и нор-
мы, к примеру, этические, которые относят к категории негласных и
соблюдают «цо умолчанию».
Но когда дело касается таких аспектов или результатов дея гель-
ности, которые могут негативно отразиться на безопасности людей,
социальных и экономических условиях их жизни, коммуникациях,
культуре, нравственном климате в обществе и т.д., установление для
нее обязательных для соблюдения табу, регламентов, требований,
стандартов, в том числе в законодательном порядке, становится на-
сущной необходимостью.
Государство создает специальные службы (Госгортехнадзор.
Госстандарт. Роспотребнадзор и др.), призванные формулировать эти
нормы, контролировать их выполнение.
С детских лет мы усваиваем, что грамматика, синтаксис - вещи
необходимые, без них тексты могут нести смыслы, противополож-
ные тем, что в них закладываются. Вспомним классический пример:
«кознить нельзя помиловать». Алфавит, правописание, ударения - все
это стандарты языка.
Свои стандарты действуют в графическом языке чертежей. С ними
мы знакомимся и их используем также со школьной скамьи.
Инженер, не знающий или не соблюдающий в своей работе та-
кие стандарты как Единую систему конструкторской документации
(ЦСКД), Единую систему технологической документации (ЕСТД),
не является грамотным специалистом. Мало найдется людей, кто
не понимает, что имеется в виду, кагда говорят о нормах поведения
в школе, на работе, в общественных местах, о стандартах в одежде
и т.д.
Мировое разделение труда, движение в глобальном масштабе
капиталов, энергии, информации, товаров, трудовых ресурсов делает
необходимым сопряжение национальных стандартов.
Нс посчитала нужным в свое время Россия использовать европей-
ский стандарт ширины железнодорожный путей 1 м 48 см, история
которого восходит к Древнему Риму и его колесницам, узаконила
растояние 1 м 52 см - и это затруднило использование «Транссиба» в
-167-
транзите грузов из Европы в Китай и Японию и обратно, и, соответс-
твенно, привело к потери значительной части доходов.
Если реклама - двигатель торговли, то торговля — двигатель
международной стандартизации.
Золото как платежное средство, метрическая система мер,
летоисчисление - все это примеры международных стандартов, ис-
пользуемых с древнейших времен. В глубь веков уходят стандарты
в мореплавдиии.
Многочисленные стандарты в самых различных сферах жизне-
деятельности настолько прочно вошли в нашу жизнь, что если бы их
отменили, то на планете воцарился бы хаос.
Антропогенный мир постоянно развивается и. соответсвенно,
развивается стандартизация Но не надо думать, что стандарты
задают ограничительные рамки инженерному творчеству. Проци-
тируем академика Б.В, Литвинова, который пишет (л, 59): «Стан-
дарты - это закон для инженеров, обязательный всеобщий язык,
помогающий их общению и совершенно не ограничивающий их
творчество».
От себя добавим, что стандартизация, эта работа, которая делается
в помощь инженеру, чтобы избавить его от просмотра заведомо не
рациональных на данный момент решений.
В федеральном законе «О техническом регулировании», приня-
том в 2003 году сказано, что стандартизация — это деятельность
по установлению правил и характеристик в целях их добровольного
многократного использования, направленная на достижение упорядо-
чивания в сферах производства и обращения продукции и повышения
конкурентоспособности продукции, работ и услуг.
В стандартизации есть ряд самостоятельных направлений или
подходов:
унификация, связанная с установлением оптимального числа
разновидностей ТО определенного назначишь услуги работ, значений
их параметров и размеров;
агрегатирование, преусматриваюшее, что с использованием
некоторой базовой конструкции, машины, агрегата можно и предпоч-
тительно создавать семейство ТО, реализующих новые дополнитель-
ные функции;
типизация, смысл которой состоит в том, чтобы отобрать,
закрепить в нормативной документации и тиражировать удачные
(рациональные, эффективные, безопасные и т.п.) конструктивные ил»
технологические решения;
силтлификация, выражающаяся в установлении ограничений
-168-
Нормированию и стандартизации подлежат не только понятийный
аппарат, используемый в той или иной предметной области инженер-
ной деятельности, определенные конструктивные и технологические
решения, форма проектной документации, номенклатура ТО и т.д., но
и сами процедуры инженерной деятельности.
Стандарты (государственые, отраслевые корпоративные) вводят-
ся на методики расчетов, проведение испытаний, правила хранения,
транспортировки, эксплуатации ТО.
Эти стандарты нужны не столько по соображениям экономичес-
кой эффективности, сколько Для регламентации ответственности, кото-
рую несут лица, принимающие решения, снижения рисков, связанных
с промышленной и экологической безопасностью, безопасностью
людей, не измеряемой экономическими показателями.
В перечне расчетов, выполняемых студентами-механиками при
выполнении курсового проекта по деталям машин, обязательным
является расчет зубчатого зацепления на контактную прочность. На
этот расчет введен стандарт ГОСТ 21354-87. Расчетные формулы,
приведенные в (л. 42), изданной спустя 20 лет после введения стан-
дарта, полностью соответствуют ему.
В связи с этим резонно задаться вопросом, почему сегодня, в век
компьютерных технологий необходимо следовать стандарту, разрабо-
танному в докомпьютерную эпоху, когда исходные математические
модели напряженного состояния зубьев, строявшиеся на основе те-
ории упругости, приходилось существенно упрощать с неминуемой
потерей точности, вводить массу эмпирических коэффициентов. Разве
мы не должны более доверять прочностному расчету зубчатой пары
на компьютере с использованием современных мощных программных
средств, реализующих метод конечных элементов?
По-разному можно отвечать на этот вопрос. Но одним из аргумен-
тов необходимости следовать ГОСТу, может быть и устаревшему, но не
отмененному, состоит в том, что если спроектированный редуктор при
испытанях или в ходе пробной эксплуатации выйдет из строя раньше
времеци, и выяснится, что его расчет бьщ выполнен не по ГОСТу, то
ответственность за поломку может быть, а скорее всего, будет возло-
жена на проектную организацию и конкретного исполнителя, даже
если его расчет был, как ему казалось, более точным.
ГОСТ на методику расчета принимается лишь после проведения
большого объема разносторонних испытаний ТО на разных режимах, в
разных условиях и т.д. Какую бы математическую модель напряженно-
го состояния зубьев мы ни использовал и, исходные данные, которыми
при расчетах контактного напряжения сгд приходится пользоваться,
-171 -
в частности, касающиеся внешних нагрузок, являются, как правило,
приблизительными. В связи с этим ГОСТ устанавливает минимально
допустимые значения коэффициентов запаса прочности нагружен-
ных деталей, которые тем больше, чем тяжелее последствия выхода
соответствующих деталей и узлов из строя. Величина коэффициента
запаса учитывает и те погрешности расчетов, которые обусловленны
принятыми при построении м одели допущениями. Проектный расчет
не по ГОСТу, по методике, не проверенной в установленном поряд-
ке, создает недопустимый прецедент и поэтому возможен в особых
случаях при соответствующем согласовании.
-172-
§ 2.1.8 Моделирование при проектировании
С точки зрения существа инженерной деятельности проектные
рабогы могут быть отнесены к одному из следующих типов работ:
исследование и конструирование. Иначе говоря, инженер-проек-
тировщик может работать как инженер-исследователь и (или) как
инженер-конструктор.
Понятие исследования во многом тождественно понятию анализа.
Не будет ошибкой назвать инженера-исследователя инженером-анали-
тиком. В работе же инженера конструктора преобладают процедуры
структурного и параметрического синтеза.
И те, и другие осуществляются с использованием, моделей и
моделипрования.
Вернемся к рис. 33, на котором представлена типовая последо-
вательность проектных процедур.
Мы видим, что, уяснив цель и задачи очередной процедуры, ин-
женер-проектировщик выбирает (ищет) подход к их решению, далее
приступает к разработке модели и затем анализирует ее. И это имеет
место в каждой проектной процедуре.
Модель и моделирование встраивается в проектную процедуру
подобно реактору (котлу), в котором «варится» информация, новые
альтернативные идеи и из которого извлекаются варианты искомого
решения. Сравнение с котлом, конечно же, неслучайно: в народе о
толковом человеке говорят, что у него «варит котелок». И мы прибегли
к нему, чтобы подчеркнуть еще раз, что именно через моделирование
инженер- проектировщик приходит к нужному проектному решению,
что моделирование — основной технологический процесс проек-
тной деятельности.
На различных стадиях проектирования оказываются востребо-
ванными различные модели.
Сама цель проектирования ТО, поначалу нечеткая, расплыв-
чатая - это его исходная модель.
А вся последующая проектая работа есть уточение, конкре-
тизация и детализация этой модели, преобразование ее в систему
моделей, относящихся каждая к одному из аспектов проектирования,
и доведение их до такой степени информативности, которая позволяет
изготовить ТО и использовать его по назначению.
На этапах внешнего проектирования ТО, в частности, при иссле-
довании потребности рынка и ожидаемого спроса на ТО, его исход-
ная. по-преимуществу вербальная модель преобразуется в таблицу, в
которой содержатся предполагаемые к реализации, иначе говоря, же-
-173-
лаемые численные значения основных потребительских показателей
мощности, производительности, грузоподъемности, вместимости,
долговечности, безотказности, маневренности, стоимости и т.п.
Создание такой модели - таблицы (модели - спецификации по
терминологии, принятой разработчиками систем автоматизированного
проектирования - л. 72), где потребительские показатели (выходные
параметры) представлены, как правило, в сопоставлении с показателя-
ми аналогов или предыдущих образцов, предполагает использование
маркетинговых технологий и указанных выше подходов в области
стандартизации.
Функциональная структура ТО, властности представленная на
рис. 37- это функциональная модель ТО - упорядочный набор функ-
ций, которые должны наличествовать в проектируемом ТО. Подобные
модели имеет по-преимуществу вид ориентированного графа,
При решении задач, связанных с выбором принципов действия и
расчетом рабочих процессов, обеспечивающих выполнение функций
ТО и отдельных его подсистем, применяются модели системного,
макро- или микроуровней, то есть иерархических уровней, о которых
шла речь при рассмотрении проектного принципа иерархичности.
На микроуровне, то есть на уровне детализации, типичные ма-
тематические модели - это системы дифференциальных уравнений
в частных производных в совокупности с начальными и краевыми
условиями, которые могут быть заданы самымыми различными
способами, в том числе обыкновенными дифференциальными урав-
нениями. Подобные системы уравнений описывают широкий класс
процессов и объектов. Это деформирование твердых тел, тепло- и
массообмсн, газо-гидродинамические процессы, электромагнитные
взаимодействия и т.д.
Входящие в эти уравнения зависимые от времени / и пространс-
твенных координат xv т, переменные (перемещения, деформации,
скорости, расходы, нагрузки, напряжения, давления, температуры, плот-
ности, силы тока, магнитные потоки, производительности, мощностей
т.д.), образуют пространство состояний ТО (фазовое пространство).
Коэффициенты уравнений определяются внутренними и внешни-
ми параметрами (конструктивными, в частности, геометрическими
параметрами, парметрами, определяемыми применяемыми материала-
ми, технологией их обработки, параметрами внешней среды), и основ-
ная проблема, с которой приходится сталкиваться при моделировании
ТО на микроуровне даже при использовании мощных компьютеров
многомерность этого пространства и нелинейность уравнений.
Есть возможность подробно, как бы под микроскопом. рассмотреть
-174-
(смоделировать) рабочий процесс в одной или всего лишь нескольких
подсистемах нижнего иерархического уровня.
Модели микроуровня позволяют, прежде всего, решать задачи
расчета (оптимизации) конструктивных, параметров.
Простой пример. Для того, чтобы при проектировании полистипаста
буровой установки правильно расчитать параметр оснастки, диаметр та-
левого каната, размеры шкивов, их осей, подшипниковые узлы, размеры
и конфигурацию бурового крюка, предварительный натяг его пружины и
т,д., необходимо знать максимальные статические и динамические нагруз-
ки, действующие на указанные элементы. Для этого следует рассмотреть
в динамике процесс спуска и подъема бурильной колонны максимального
веса. Бурильная колонна - классическая система с распределенными
параметрами. Продольные волны деформации растяжения-сжатия, воз-
буждаемые создаваемым буровой лебедкой тяговым усилием в ходовом
конце тадевого каната, торможением лсбедкц с помощью главного и вспо-
могательного тормозов, описываются дифференциальным уравнением
в частных производных второго порядка:
т (д2 v/dt2) + ц (Э v/Э?) + у p($ign v)~ EF (Э2 v/Э.г2) -I- mg
где v - скорость продольного смещения элемента трубы Эх в
точке с координатой л, т - масса единицы длины бурильной трубы,
г) - коэффициент вязкого трения, создаваемого буровым раствором,
у —коэффициент «сухого» трения бурильной трубы о стенки скважи-
ны, Е — модуль упругости, F — площадь поперечного сечения трубы,
р - средняя величина удельной силы нормальной составляющей ре-
акции стенок скважины при продольных смещениях колонны.
Граничные условия для этого уравнения выражаются системой
обыкновенных дифференциальных уравнений
6 /dR) = - F, R(<$ 6 ’ Ф/> - А/ф б /dt)
< (<?<$ /dd) = 'Ж, ~ Ф,> - rjcp, - Ф t+I)~ М»
M(<Fx/ dt2) = I cni ftp, - (р ш)- Mg - Gk
где J- момент инерции шкива, ср . - угол поворота i-ro шкива
(i= 1,..2п+1), <р „-угол поворота барабана лебедки n-кратность поли-
спаста, с = (EJEJd - жесткость талевого каната, Z - средняя длина
рабочей ветви каната, ru - радиус канавки шкива, R- средний радиус
навивки каната на барабан лебедки, h — коэффициент вязкого трения
в опоре шкива (барабана лебедки), Gk - нагрузка на крюке.
На макроуровне моделирования ТО., отдельные его составляющие
рассматриваются как системы с сосредоточенными параметрами.
Непрерывное распределение зависимых переменных по пространс-
твннным координатам заменяется дискретным Благодаря этому
независимой переменней остается только время /, исходные урав-
-175-
нения в частных производных упрощаются, преобразуясь в системы
обыкновенных дифференциальных и алгебраических уравнений, и
компьютеру оказывается по силам модель, охватывающая иерархи-
ческий уровень целиком.
Как указано в (л. 72), исходными для построения математичес-
ких моделей макроуровня являются компонентные и топологические
уравнения.
Первые это уравнения, описывающие динамику состояния эле-
мента, и они имеют вид:
F (dV/dt, V,t) = O,
а вторые характеризуют взаимосвязи элементов, и они представ-
ляются в виде
ЛЮ - о,
где V- фазовые координаты
Когда число составляющих элементов (компонентов) ТО пре-
вышает некоторый порог, определяемый мощностью современных
компьютеров, применяют модели, называемые функционально-логи-
ческими. В них элементы отображаются функциями, связывающими
вход и выход: передаточными функциями при непрерывно во времени
меняющихся состояниях, логическими функциями - при дискретных
переходах из одного состояния в другое.
На системном уровне проектирования применяют по-преимущес-
тву модели, отображающие потоки событий, связанных с использо-
ванием проектируемых систем. Эти модели позволяют проектиров-
щикам определять основные потребительские характеристики ТО,
в частности, производительность, параметры области применения,
объемы производства. Для буровых установок, например, параметры
области - это допускаемая нагрузка на крюке и условная глубина сква-
жин, производительность - это количество скважин, которые можно
пробурить с сс помщью за нормативный срок службы.
В основе анализа функционирования ТО на системном уровне
проектирования лежит, как правило, статистический подход, и в ка-
честве математического аппарата моделирования применяют теорию
массового обслужтвания, сети Петри.
В частности, с помощью сетей Петри описываются процессы
возникновения и устранения неисправностей в сложных ТС, таких, на-
пример, какэлектрогидравлические системы управления подводно-ус-
тьевым оборудованием морских гюлупогружпых буровых установок.
Метод моделирования процесса использования ТО по назначению
определяется как имитационное моделирование. Пример использова-
ния метода приведен в § 3.2.3,
-176-
§ 2.1.9 Автоматизированное проектирование
Последовательность проектных операций и процедур, которая
обеспечивает получение требуемого проектного решения, касающе-
гося ТО в целом или отдельных его элементов, называют маршрутом
проектирования (л 73).
В зависимости от характера ц степени использования компью-
терной техники при выполнении некоторого маршрута может быть
реализован один из следующих режимов проектирования:
автоматический (имеет место, когда предусмотренные марш-
рутом проектные операции и процедуры выполняются компьютером
по формальным алгоритмам без участия человека),
- автоматизированный (при котором проектные операции и
процедуры выполняются компьютером при участии проектировщика
- в так называемом интерактивном режиме),
- «ручной» (при котором компьютер не используется).
Поскольку далеко не все проектные процедуры могут быть
формализованы, о чем ранее уже говорилось, автоматическое про-
ектирование реализуется и принципиально может быть реализовано
в весьма незначительном объеме (прежде всего, при выполнении
процедур одновариантного анализа).
Автоматизированное проектирование применяется более широко,
и современная тенденция совершенствования технологии проектиро-
вания свидетельствует о развитии этого направления.
Рассмотрим основные вопросы автоматизированного проектиро-
вания вначале в историческом аспекте.
Формально автоматизированное проектирование как новая техно-
логия ведет свою историю с конца сороковых - начала пятидесятых
годов прошлого столетия, когда появились первые универсальные
компьютеры (в нашей стране это — МЭСМ — 1949 г БЭСМ -1951г,
за рубежом ENIAC - США, 1946г.)
С использованием этих и последующих моделей компьютеров
первою и второго поколений автоматизировались проектные проце-
дуры, относящиеся в основном к функциональному проектированию.
Совершенствование элементной базы и архитектуры компьютеров,
увеличение объема их оперативной памяти и быстродействия, переход
к новым методам и средствам программирования обеспечили развитие
компьютерного моделирования, то сеть исследований математических
моделей ТО с помощью вычислительной техники, а также позволили
осуществлять разработку автоматизированных систем информацион-
ного обеспечения проектирования (в частности, разнообразных систем
-177-
управления базами данных — СУБД) и систем машинной графики для
визуализации результатов проектирования.
Однако концептуальная и методологическая база этой техноло-
гии, как некоего стандарта, начала интенсивно развиваться немногим
более 30-ти лет назад.
В тот период для проектных организаций стала реальной и тех-
нически, и экономически возможность создавать сети автоматизиро-
ванных рабочих мест конструктора (АРМов), причем первоначально
ядром АРМов были удаленные терминалы, связанные с центральным
мощным компьютером, а в последующем (и это стало рубежом в ис-
тории автоматизации проектирования) - персональные компьютеры
и рабочие станции, оснащенные необходимыми для проектирования
периферийными устройствами.
И именно тогда сформировалось ясное понимание, что
• «компьютерное» изготовление проектной документации, в
частности, рабочих чертежей и схем, компьютерный счет и анализ
вариантов с использованием применяемых в «докомпьютерном»
проектировании математических моделей, зачастую весьма упро-
щенных, сами по себе мало сказывается на качестве проектов;
• автоматизированное проектирование может давать эффект
тогда, когда в распоряжении проектировщика имеются не разрозненные
(пусть даже и многочисленные и разнообразные) средства (технические,
программные, информационные), применимые к ограниченному классу
ТО, не всегда стыкующиеся между собой, а средства,
объединенные в систему, взаимоувязанные,
сочетающие специализацию с универсальностью,
- ! позволяющие реализовывать комплексную (то есть охваты-
вающую и функциональный, и конструкторский, и технологический
аспекты, проектирования, соответствующие стадии и этапы) автома-
тизацию проектирования,
обеспечивающие комфортность интерактивного общения
проектировщика с компьютером,
то есть составляющие в совокупности систему автоматизиро-
ванного проектирования - САПР;
• для кардинального повышения качества проектирования
необходимо в рамках САПР обеспечить компьютерную поддержку
проектных процедур синтеза и анализа, а для этого нужно решать про-
блемы, выходящие за рамки собственно проблематики автоматизации
проектирования, относящиеся к общим проблемам «искусственного»
интеллекта, в частности, проблемам формализации и представления
знаний в соответствующей предметной области.
-178-
Фактически, если вновь обратиться к рис 6, отображающему
обобщенную модель проектирования ТО, САПР - это совокупность
таких инструментальных средств проектирования и организация
такого их взаимодействия с интеллектуальными ресурсами, которые
позволяю 1 для соответствующего класса ТО:
• расширять множество формализованных проектных процедур
и операций;
• свести к минимуму (в пределе - полностью исключить) непос-
редственное учдетце проектировщика в их выполнении и обеспечить
это выполнение с помощью компьютера с высокими производитель-
ностью и качеством;
• сконцентрировать и максимально эффективно использовать
творческий потенциал проектировщиков для решения неформальные
и принципиально не формализуемых проектных процедур.
Поскольку, как следует из
сказанного, САПР это и средс-
тва проектирования и способы их
использования, то есть по сути
дела технология, то модель авто-
ь [атизированного проектирования
может быть отображена схемой,
представленной на рис.46.
Являясь более сложной, чем
традиционная система проек-
тирования, САПР, включает в
себя следующие компоненты
{рис. 47):
- техническое обеспечение,
то есть компьютеры,
объединенные в сеть, периферийные устройства, оргтехника и
т.п,;
- математическое обеспечение, то есть совокупность математи-
ческих моделей, расчетных схем, методов, алгоритмов и т.п., с помо-
щью которых выполняются проектные процедуры и операции;
- информационное обеспечение, которое включает все виды дан-
ных, необходимых при проектировании, различного рода рекоменда-
ции, отражающие накопленный опыт проектирования и эксплуатации,
информацию о типовых проектных решениях в соответствующей
области, патентах и т.п.;
- программное обеспечение, то есть совокупность программных
средств, реализующих математические модели, методы и алгоритмы,
Рис. 46 Модификация мидели
проекитивно й. деят ельHQpnut
-179-
позволяющих осуществить хранение в компьютере данных и доступ
к ним, а также дающие возможность организовать взаимодействие
проектировщиков с техническими средствами САПР, а через них друг
с другом, и эксплуатировать их, рационально используя имеющиеся
ресурсы;
- лингвистическое обеспечение, то есть совокупность языковых
средств, позволяющих проектировщику взаимодействовать с другими
компонентами САПР, прежде всего с техническим и программным
обеспечением.
Организационно-методическое обеспечение, то есть совокупность
методических документов, норм, инструкций, правил, с одной стороны,
определяющих структуру проектной организации, а с другой стороны,
технологию автоматизированного проектирования с использованием
всех средств САПР). Следует заметить, что в совокупности информа-
ционное и математическое обеспечение представляют собой именно
те знания, о которых шла речь, когда нами обсуждалась обобщенная
модель проектирования (§ 2.1.1), а программное, лингвистическое
ц организационно-методическое обеспечение как раз и позволяют
цсподьзовать ущ ₽ автоматизированном режиме проектирования.
Рис. 47. Компоненты САПР.
Понятно, что разработка новых САПР, освоение существующих
и их настройка на определенные ТО - дело дорогое. В ряде случаев
САПР оказывается существенно дороже того ТО, который с ее помо-
щью создается.
Эффективность создания и применения САПР достигается в ос-
новном тогда, когда либо без ее помощи качественно спроектировать
TQ вообще не представляется возможным либо когда имеется воз-
можность ее тиражировать как вид товарного продукта и на чадить
с ее помощью проектирование различных ТО и в больших объемах'.
-180 •
В компонентах САПР имеются как специализированные, связан-
ные с определенным типом ТО, так и универсальные, то есть приме-
нимые для различных гипов ТО средства САПР. Они производятся и
поставляются на мировой рынок в качестве программного продукта,
Специализированные средства разрабатываются таким образом, чтобы
они могли «стыковаться» с универсальными и функционировать в
виде отдельных (дополнительных) модулей последних.
Об универсальных технических средствах САПР - компью-
терах, принтерах, графопостроителях, дигитайзерах и проч, мы уже
говорили выше.
Примерами универсальных средств, входящие в состав матема-
тического обеспечения САПР могут служить математические модели
(уравнения) типовых физических процессов, в частности, таких, как
деформирование, колебания, теплопередача, диффузия, накопление
повреждений и др, а также численные методы их анализа (например,
метод конечных элементов).
Универсальные средства информационного обеспечения для
машиностроительных САПР - это всевозможные справочные данные,
используемые в проектировании, например, касающиеся свойств
конструкционных материалов. Это ГОСТы и другие нормативные
документы, номенклатура, параметры и конструкции типовых изделий
(например гидрооборудования, электродвигателей, зубчатых редукто-
ров, ролико-втулочных цепей и проч.). Реализуется информационное
обеспечение автоматизированного проектирования в виде баз данных
и баз знании.
Универсальные программные средства САПР - это в первую
очередь компьютерные операционные системы, например Windows,
Windows NT, Unix, текстовые, табличные и графические редакторы
(типа Winword, Exel, Painbrasch,), работающие под управлением этих
систем, системы управления базами данных (СУБД, например такие,
как Access, FoxPRO, Paradox, SQL, Orakle, Informix), с помощью
которых создаются базы данных, сетевое программное обеспечение,
позволяющее объединять компьютеры в локальные вычислительные
сети (например, сетевая операционная система NetWare) с выходом
в Internet, а также типовое прикладное программное обеспечение, К
нему, в частности, могут быть отнесены такие прикладные програм-
мные средства, являющиеся составляющими CAD/CAE/CAM систем
(Computer aided dising/ Computer aided enginiring/ Computer aided
manufacturing), как пакеты Nastran, Nisa, Cosmos, Ansys, реализую-
щие метод конечных элементов, пакеты Adams, Dads, позволяющие
осуществлять компьютерное моделирование кинематики и динамики
-181 -
механизмов, графические пакеты AutoCAD, TopCAD, предназначенные
для конструирования, пакеты, обеспечивающие автоматизацию мате-
матических расчетов (MatCad, Mallab, Maple V) и многие другие.
К числу весьма известных и широко используемых в мире комп-
лексов программных средств автоматизированного проектирования
относятся системы Pro/Engineer, Unigraphics, SolidWork, t-Flex.
Они имеют модульную структуру и включает ядро, а также не-
сколько десятков специализированных модулей, позволяющих выпол-
нять широкий спектр проектно-конструкторских и технологических
операций и процедур.
Конструирование деталей в Pro/Engineer осуществляется с по-
мощью «примитивов» - таких, как линии, фаски, ребра, скругления,
оболочки и др., что позволяет создавать геометрические объекты
любой сложности. С помощью процедур «приклеить», «вставить»,
«ориентировать», а также с использованием программного модуля
Pro/ASSEMBLY, являющегося параметрической системой управле-
ния сборкой, оказывается возможным быстро разрабатывать сбороч-
ные чертежи произвольной сложности. Отдельную деталь можно
конструировать непосредственно в сборке, определяя, ее геометрию
индивидуально или относительно геометрии других деталей узда;
при этом изменение параметров последних автоматически ведет к
соответствующему обновлению геометрии и местоположения про-
ектируемой детали. Программный модуль ,Pro/DE1AIL обеспечивает
проекционное черчение видов, сечений, обладает широкими воз-
можностями образмеривания, введения допусков, шероховатостей.
Он позволяет конструктору создавать производственные чертежи по
трехмерной компьютерной модели ТО.
Система содержит и другие модули, в том числе такие, которые
позволяют по чертежу детали получать готовые программы для стан-
ков с числовым программным управлением (ЧПУ), с использованием
которых осуществляется изготовление детали.
По своим функциям CAD-систем в машиностроении подразделя-
ют на системы двухмерного (2D) и трехмерного (3D) моделирования
(л. 72). 20-моделирование - это принятое в инженерии проекционное
черчение в компьютерном варианте, оформление конструкторской до-
кументации в соответствии с требованиями ЕСКД. JD-моделпрование
- это получение трехмерных изображений деталей, узлов, агрегатов,
машин, технологических комплексов в любом ракурсе, с разрезами
по проивольно выбранным осям, - одним словом, их реалистичная
визуализация. При этом, естественно возможно взаимное преобразо-
вание 2D и 3D моделей.
-182-
точных преобразований. Например, разработчик общего вида может
перетранслировать чертеж, 5 компьютер тому, кто должен готовить
рабочие чертежи деталей.
Все это, конечно же, позволяет существенно сократить непроиз-
водительные затраты времени.
Что же касается качества проектирования, то, как уже отмечалось,
его повышение в САПРе может быть достигнуто
• во первых, за счет возможности перерабатывать существенно
больший объем информации,
• во-вторых, за счет применения более сложных и, главное,
более точных математических моделей проектируемых ТО,
• в третьих, за счет применения более эффективных методов
их анализа.
(Мы говорим «может быть достигнуто», а не «достигается»,
поскольку качество проектирования все-таки в первую очередь
определяется уровнем квалификации, творческим потенциалом
проектировщиков, особенно проявляющемся при выполнении не-
формальные проектных процедур).
Еще раз подчеркнем, что приведенное описание технологии рабо-
ты инженера-конструктора р САПРе не есть модель этой технологии,
а служит лишь иллюстрацией ее «лежащих на поверхности» отличий
от докомпьютерной технологии.
Компьютерное 3&-моделированне в проектировании, интег-
рация систем CAD, САЕ, САМ может привести в не таком уж
отдаленном будущем к постепенному отказу от конструирования
с использованием технологии проекционного черчения. Сегодня
это вполне может показаться абсурдом. Как и в предыдущие два
столетия, инженерная подготовка представляется немыслимой без
освоения студентами технических вузов начертательной геометрии,
инженерной графики. Умение «читать чертежи» — одно из важней-
ших квалификационных требований к инженеру. И, тем не менее,
надобность в этом умении тогда, когда конструктору не составит
труда получать на компьютере пространственное изображение ТО
«со всеми его внутренностями», с разнесенными сбороками, может
быть поставлена под сомнение.
В обширной литературе, посвященной САПР, достаточно много
внимания уделяется их структуре. В частности, указывается, что в
составе САПР имеются различные подсистемы, которые подразде-
ляются на проектирующие и обслуживающие (сервисные), (л. 82).
На рис. 49 представлена структура программного обеспечения
САПР, в которой выделены указанные подсистемы.
-185-
Мы, однако, не будем здесь входить в детальное обсуждение
этой! структуры. Дело в том, что автоматизация проектирования - это
автоматизация одного из видов интеллектуальной деятельности, и
сделанное в этой области - пока еще только первые шаги. Предлага-
емые на данной стадии типологии средств, подходы к их структури-
зации носят, очевидно, предварительный характер и, думается, более
значимы для разработчиков, чем для пользователей, то есть тех, кто с
помощью САПР осуществляет проектирование ТО.
Так, относительно недавно в структуру САПР стали вклщчать
такие составляющие, как базы знаний, экспертные системы.
PDM - Produkt Data Management-подсистема управления проемными данными;
DPM - Dezing Precess Management—подсистема управления процессом проектирования;
САЯГ - Computer Aided Software Engineering- подсистема для разработки и сопровождения.
Рис. 49. Структура программного обеспечения САПР.
Что такое база знаний и экспертная система? В чем состоит их от-
личие от базы данных? Как они взаимодействует с проектировщиком?
Вначале попытаемся ответить на эти вопросы с помощью примера.
Освоение возможностей компьютера начинается, как правило,
с освоения текстового редактора. Одним из популярных редакторов,
работающих под управлением Windows, является редактор Winword.
Всякий, кто пользуется этим редактором, имел дело с входящими в
его состав программными средствами, позволяющими выявить и
исправить грамматические и стилистические ошибки в тексте, найти
синонимы словам в целях улучшения изложения.
Указанные средства и можно рассматривать в качестве простей-
ших баз знаний.
- 186-
Попытаемся описать в достаточно общей форме, как же работает
инженер-проектировщик, имеющий в своем распоряжении указанные
средства.
Рассмотрим конструирование.
(Представленный ниже фрагмент работы конструктора в
САПРе носит иск ючителъно иллюстративный характер и, естес-
твенно, не отражает все преимущества современной технологии
конструирования)
В «докомпьютерной» среде проектирования конструктор вы-
полняли свою работу, используя чертежную доску («кульман»), а
также различные чертежные принадлежности. В его распоряжении,
как правило, имелась разнообразная литература (учебная, научная,
справочная), отраслевые нормативные документы, ГОСТы, прейску-
ранты, каталоги, проспекты, атласы конструкций, чертежи и т.д. и т.п,
Оц имел также возможность пользоваться архивами, получать через
соответствующие службы информацию, касающуюся изобретений,
патентов в интересующей его области. Наконец, он получал необ-
ходимые для работы материалы (информацию, задания) от' коллег,
руководителей, подчиненных.
В САПРе же роль чертежной доски выполняет экран монитора
рабочей станции или мощного PC (не ниже уровня pentium IV), иначе
говоря, «электронный кульман». То, что прежде конструктор делал
«вручную» с помощью чертежных принадлежностей, то теперь он
делает с помощью программных средств машинной графики, кла-
виатуры, манипулятора «мышь». Вначале «чертеж» создаваемой
конструкции формируется проектировщиком на экране монитора
и только затем переносится на стандартный бумажный носитель в
стандартном формате с помощью графопостроителя или плоттера.
(Системы Cad/Cae/Cam позволяют до вывода «на печать» чертежей
получить модель детали или узла, например, из силикона и оценить
ее.) При этом возможности конструктора неизмеримо расширяются,
а трудоемкость выполняемых операций и процедур - снижается. За
счет чего?
Достаточно сказать, что при наличии в памяти компьютера гра-
фических баз типовых деталей узлов, конструкций, например, чер-
вячных или планетарных редукторов, шинно-пневматических муфт,
валов буровые лебедок, вышек буровые установок и т.п., он может
быть избавлен от необходимости вычерчивать при конструировании
машины их заново. Просматривая на экране эти конструкции, про-
ектировщик может выбирать один из известных вариантов, сочтя его
подходящим. В этом случае он вводит в компьютер, обратившись
-183-
к соответствующему программному модулю имеющейся в его рас-
поряжении системы проектирования (например, типа Pro/Engineer).
требуемые выходные параметры, в частности, мощность редуктора,
передаточное число, максимальный крутящий момент. После этого
компьютер «сам» или в режиме диалога с конструктором (интерак-
тивном режиме) изменяет необходимым образом конструктивные
параметры деталей (для червячного редуктора: червячного колеса,
вала, корпуса, подшипниковых узлов) и выводит на экран сборочный
чертеж'искомой конструкции со всеми необходимыми видами, сече-
ниями и т.п. (Пересчет конструктивных параметров осуществляется
прикладными программами, реализующими используемые для этих
Рис. 48. Элементы локальной сети проектной организации
ЛВС—локальная вычислительная сеть: ариинная, б)кольц^оая ,в)звездная.
целей стандартные методики, в данном случае-методики проектных
и проверочных расчетов червячного редуктора).
Упомянутые графические базы в настоящее время становятся
самостоятельным товарным продуктом, доступным через Интернет.
Локальная вычислительная сеть, которой связаны АРМы про-
ектировщиков в САПРе (рис. 48), позволяет «перекачивать» данные,
документы, другую информацию из компьютера одного проектиров-
щика в компьютер другого в необходимом формаге и без промежу-
- 184-
Действительно, ведь фактически пользователь имеет возмож-
ность обратиться к программе, которая «знает» правила орфографии,
способна выявить его ошибки, обратить внимание на перегружен-
ность предложения и в этом смысле действует как специалист. Для
пользователя при эхом не столь уж важно, как именно она это делает,
благодаря ди тому, что в редактор встроен орфографический словарь
НВ 20 тыс. слов вместе с правилами склонения и спряжения или ка-
ким-то иным образом.
Подобного типа базы знаний, касающихся правил выбора допус-
ков и посадок, обозначения шероховат,остей на чертежах, размеров,
штриховки могут входить в состав графических программных пакетов,
используемых для осуществления компьютерного конструирования.
С более строгих позиций концепция баз знаний и экспертных
систем как эффективных средств автоматизации проектирования
может быть проиллюстрирована следующим образом.
Всем конструкторам известен классический труд П.И. Орлова
«Основы конструирования» (л. 75). В Нем содержатся многочисленные
рекомендации по конструированию 'Пшовых деталей и узлов машин,
примеры удачных конструктивных ращений и т.п.
Представим себе, что мы поставили задачу заложить подобные
рекомендации, касающиеся, например, технологичности редукто-
ров, в память компьютера с тем, чтобы в случае, если конструктор
примет нерациональное решение, компьютер обратил его внимание
на ошибку.
Как это сделать? По-видимому, нужно начать с формализации тех
правил, которые следует соблюдать, чтобы конструкция определен-
ного класса деталей, или узлов была бы технологичной. Например,
эти правила могут быть сформулированы в виде утверждений типа
«если ..., то». Подобным образом выраженные правила называются
в теории представления знаний продукциями. Совокупность правил,
которую мы сумеем сформулировать и запрограммировать для конк-
ретного множества объектов, каждый из которых характеризуется
определенным набором свойств, и будет базой знаний, а выбранный
нами способ формулирования - одним из возможных способов пред-
ставления знаний.
Далее мы должны составить программу, которая позволяла бы
компьютеру определять те свойства (характеристики, параметры),
детали пли узла, на основе анализа Которых по сформулированным
правилам решается вопрос о технодОГИЧности конструкции. Эта
программа может выполнять свою функцию, задавая конструктору
вопросы, предполагающие ответы «да» и «нет» относительно наличия
-187-
указанных свойств. Следующая программа вводит выявленные свойс-
тва в те формулы (утверждения), которые составляют базу знаний, и
формулирует соответствующий вфвод. База знаний в совокупности с
указанными программами и есть экспертная система.
Из сказанного очевидно, почему экспертные системы становягся
одним из наиболее мощных инструментов в информационном обес-
печении САПР. Эти средства находят все более широкое применение
как одни из наиболее эффективных и в других видах инженерной
деятельности, в частности в диагностике, испытаниях, техническом
обслуживании..
В завершении настоящего параграфа и главы в целом коротко
остановимся на вопросе организации просктно- конструкторских
работ.
Основной объем этих работ выполняется сегодня по-преиму-
ществу в инжиниринговых компаниях, (которые могут быть совер-
шенно самостоятельными субъектами хозяйствнной деятельности,
а могут входить в холдинги), а также структурных подразделениях,
не наделенных правами юридического лица. Называться они могут
по-разному:
- научно-исследовательскими и проектными институтами (при-
мер: «НИПИНефть);
Рис. 50. Фрагмент структуры предприятия.
-188-
- проектно-конструкторскими бюро, (например, известное всем
нефтяникам и газовикам ОКБ БН- особое конструкторское бюро по
бесштанговым насосам)
— отделами (отдел главного конструктора машиностроительного
предприятия).
На крупных заводах могут быть собственные научно-иследова-
тельские и проектные институты. Например, Уралмашзавод (в 2006
году приобретен компанией «ИНТЕГРА») имеет в своем составе
паучно-исследовательсий институт тяжелого машиностроения —
НИИТяжмаш. В этом институте имеется ряд отделов, возглавляемых
главными конструкторами, в том числе отдел буровых установок
(рис. 50), в состав которого входят отдельные конструкторские
бюро
Номенклатура этих бюро, как видно из представленного фраг-
мента структуры ПО Уралмаш, в целом реализует принципы ие-
рархичности и декомпозиции проектирования, о которых шла речь
в § 2.1.1. Именно в этих подразделениях сосредоточены основные
кадры инженеров-проектировщиков. Но подобные специалисты ра-
ботают не только в конструкторских бюро. Проектные работы выпол-
няются и в структурах, относящихся к службам главного технолога.
Что это за работы, мы рассмотрим в следующей главе.
-189-
ГЛАВА 2.2.
Изготовление машин и оборудования
§ 2.2.1 Виды производств ТО
Работы, связанные с практической реализацией проекта, то есть
созданием на его основе ТО в виде реального изделия, обозначаются
словом изготовление. (Иногда уместным является использование
терминов сооружение, строительство. Например, отрасль машино-
строения, связанная с проектированием .и изготовлением станков
называется станкостроением).
Совокупность осуществляющих эти работы учреждений, ор-
ганизаций и предприятий, включая их персонал, технологические
процессы и оборудование, службы и средства, обеспечивающие их
функционирование (связь, транспорт, энерго- и рссурсорбеспечение),
принципы (экономические, социальные, управленческие), формы и
методы организации деятельности - все это и есть производство.
Производство можно классифицировать множеством способов.
Различают, например, сельскохозяйственное и промышленное про-
изводство. Эти виды производства в свою очередь подразделяется
на отдельные отрасли. В промышленном производстве выделяют
машиностроение, приборостроение, производство товаров народного
потребления и т.д. В каждой отрасли имеются подотрасли со своими
структурами управления, производственными предприятиями, всевоз-
можными службами обеспечения производственной деятельности.
Термин производство используется и в более узком смысле, в
качестве синонима понятия изготовление. В частности, в литерату-
ре, как правило, в совершенно одинаковом смысле употребляются
понятия процесса изготовления и производственного процесса.
Последний определяется как совокупность отдельных процессов,
осуществляемых для получения из материалов и полуфабрикатов
готовых изделий (л. 9, 39).
Почему мы начали изложение вопросов, касающихся содержания
инженерной деятельности на производстве, с рассмотрения понятия
и видов производства? Дело в том, что характер и условия работы
инженера на различных производствах отнюдь не одинаковы.
Номенклатура производимых предприятием в течение опреде-
ленного срока изделий и их количество по каждому наименованию,
перечень и количество необходимых для этих изделий запасных частей
(деталей, узлов и т.ц.) составляют производственную программу.
-190-
В зависимости об объема производственной программы, отно-
сящейся к определенному изделию, различают три основных типа
производств: единичное, серийное и массовое, На/л/с. 57 представлена
схема, дающая представление о многообразии видов производств
мдшин и оборудования. В учебных курсах по технологии машино-
строения достаточно подробно рассматриваются особенности каждого
из нцх, поэтому мы, как уже сказано, сосредоточимся на вопросах,
касающихся зависимости содержания работы инженера-производс-
твенника от вида производства, в реализации которого ои участвует.
Следует обратить внимание, что в приведенной схеме пунктиром
показан такой вид производства, как восстановление деталей и узлов
машин или в более общем смысле их заводской ремонт. Это сделано
потому, что ремонт изделия осуществляется уже после определенного
срока его эксплуатации и зачастую рассматривается как деятельность,
связанная с техническим обслуживанием ТО.
ПРОИЗВОДСТВО
Основное
Ремонт
Опытно-
экспериментальное
----> - в Г"------
Массовое Единичное
I Серийное
Серийное
Единичное
Мелкосерийное
Среднесерийное
Крупносерийное
Поточное
iЕдиничное1
' много-
номенкпа-
турное
Прямоточное
Рис. 51. Многообразие видов машиностроительных производств-
Первое, что необходимо отметить, состоит в том, что инженеры,
участвующие в изготовлении ТО на производственных предприятиях,
то есть инженеры-производственники осуществляют свою деятель-
ность как
• проектировщики, в том числе как инженеры-конструкторы,
• испытатели,
• монтажники,
• эксплуатационщики, к которым мы относим тех, кто эксплуати-
рует технологическое оборудование предприятия, го есть механиков
(наладчиков, ремонтников и т.п.), и тех, кто обеспечивает реализацию
и соблюдение предписанной для ТО технологии изготовления
-191 -
то есть технологов, работающих в цехе и управляющих технологи-
ческим процессом изготовления (рис. 52).
Действительно, изготовление ТО - это реализация определенной
совокупности технологических процессов. Напомним, что в машино-
строении под технологическим процессом подразумевают последова-
тельное изменение формы, размеров, а также свойств материала или
полуфабриката в целях получения детали или изделия в соответствии
с заданными техническими требованиями.
Иначе говоря,
технологический процесс - это упорядоченная последователь-
ность операций, которые должны быть выполнены для того, чтобы
заготовки (полуфабрикаты) превратить в детали, из которых соби-
раются сборочные единицы (узлы) и изделие в целом.
Прежде чем реализовать тот или иной тсунолоппескнй процесс,
его нужно спроектировать.
Рис. 52. Инженерная деятельность в сфере изготовления ТО
Эта работа, именуемая часто технологическим проектированием,
является составной частью работ, объединяемых понятием технологи-
ческая подготовка производства. Кроме проектирования техноло) пчес-
кого процесса технологическая подготовка производства включает, как
известно, и конструирование специальной (приспособления, инстру-
мент) технологической оснастки, специального и вспомогательного
-192-
оборудования. И именно поэтому на рис. 52 отмечены и проектная, и
конструкторская деятельность инженера-технолога.
Далее напомним, что при единичном производстве, имеющим
место в тяжелом машиностроения, в судостроении, на предприятиях,
выпускающих сложное оборудование для химических и металлур-
гических заводов, используют, как правило, стандартную оснастку,
универсальный инструмент, и, следовательно, объем конструкторских
работ, связанных с их разработкой, невелик.
Строго говоря, различают единичное и единичное многономенк-
латурное производства. Первое характеризуется тем, что выпускаются
уникальные изделия, сроки их изготовления достаточно велики, а
вероятность повторного выпуска изделия-аналога мала. Второе-дем,
что выпускается большая номенклатура изделий, каждое в одном
экземпляре, при этом вероятность повторного изготовления изделия
мала, а сроки смены номенклатуры изделий минимальны.
Па предприятиях указанного типа широко применяется уни-
версальное технологическое оборудование. Малые сроки освоения
новой номенклатуры изделий при единичном многономенклатурном
производстве приводят к тому, что времени на детальную проработку
технологических процессов недостаточно, и поэтому технологи, проек-
тирующие технологические процессы, заняты в основном разработ-
кой маргирутных карт технологических процессов. Операционный
же технологический процесс отдается на проработку и исполнение
рабочим, квалификация которых, как правило, весьма высока.
При массовом производстве разрабатывается полный комплект
технологической документации.
При серийном производстве объем технологической докумен-
тации и, следовательно, объем соответствующих проектных работ,
варьируется в достаточно широких пределах: он может быть мини-
мальным, как при единичном производстве, а может быть и макси-
мально полным, как при массовом производстве.
Поскольку состав технологического оборудования на различных
производствах имеет свою специфику, имеются и отличительные
особенности в работе инженера технолога цеха и инженера-меха-
ника, обслуживающего это оборудование, определяемые указанной
спецификой.
Все из приведенных на/л/с. 52 видов инженерной деятельности,
относящихся к этапу изготовления ТО, в настоящее время обеспечены
мощными средствами компьютерной поддержки.
В последующих параграфах мы коротко рассмотрим и автома-
тизированное проектирование технологических процессов, и сов-
-193-
Рис. 53. Инженерные службы предприятия.
ременные гибкие автоматизированные производства (ГАП), и так
называемые «безлюдные производства».
Здесь же отметим следующее. На отечественных машинострои-
тельных предприятиях существуют, как правило, три основных вида
инженерных служб, непосредственно участвующих в создании ТО:
службы главного конструктора, службы главного технолога и службы
главного механика (рис. 53).
Кроме того, имеются и другие инженерные службы (главного
металлурга, сварщика, материального обеспечения, транспорта, связи,
энергетики и проч.).
Конструирование ТО и проектирование технологического про-
цесса, установка и наладка необходимого оборудования (станков, ав-
томатических линий и т.п.) осуществляются не изолированно. То есть,
дело совсем нс обстоит таким образом, что сперва конструкторами
разрабатываются рабочие чертежи ТО, затем технологи приступают
к проектированию техпроцесса, конструированию специальной ос-
настки и инструмента и лишь после этого начинается подготовка к
работе технологического оборудования
На самом деле, эти работы должны вестись и ведутся взаимосвя-
зано. Для того, чтобы изделие удовлетворяло требованиям технологич-
ности, а это одно из важнейших требований к конструкции, технологи
заводского отдела главного технолога подключаются к конструктор-
ским работам, выполняемым в конструкторских бюро, еще на стадии
эскизного проектирования, а в ряде случаев и раньше.
Из этого следует, что средства автоматизированного конс-
труирования и средства автоматизированного проектирования
технологического процесса, и средства автоматизированного
- 194-
изготовления деталей и узлов машин в принципе должны быть
объединены в одну сие гему. И именно создание интегрированных
программных систем, называемых CAD/CAE/CAM системами, ко-
торые позволяют на выходе получать не только рабочие чертежи
изделия и проектные расчеты, но программы, управляющие стан-
ками-автоматами и обеспечивающие его изготовление, является
одним из главных направлений в компьютеризации инженерной
деятельности сфере машиностроения.
В более общем плане можно сказать вслед за проф. Беляниным П.Н.
(л. 14), что только комплексный подход к решению проблемы
компьютеризации производства может привести к существенному
повышению эффективности труда в машиностроении. А комплекс-
ная компьютеризация производства означает компьютеризацию всех
видов инженерного труда: управления производством, проектирова-
ния оснастки и инструменту, технологических расчетов, разработки
технологических процессов и программ управлением (станками),
Область
автоматизации
инженерной
деятельности
ГЛАВНЫЕ ЗАДАЧИ
АВТОМАТИЗАЦИИ
Рис. 54 Компьютерные технологии ни стадии изготовления ТО
- 195-
а также автоматизацию на базе применения компьютеров и робототех-
нических систем всех видов технологических средств производства,
включая склады, транспортные системы, технологические агрегаты
и линии.
На рис. 54 представлена схема, отображающая существо комп-
лексного применения компьютерных технологий для создания автома-
тизированных производственных систем и управления ими (л. 14).
-196-
§ 2,2.2 Технологическая подготовка производства и ее
автоматизация
Итак, мы установили, что инженерная деятельность, связанная с
изготовлением ТО, включает три основных составляющих: технологи-
ческое проектирование, управление технологическим процессом, тех-
ническое обслуживание и ремонт технологического оборудования.
Программные CAD/CAE/CAM системы имеют, к&дправило, мо-
дульную структуру, позволяющую наращивать их путем разработки
новых функциональных модулей или включения существующих и
используемых программных пакетов. В частности, именно так уст-
роена система PRO/Engineer, о которой упоминалось в предыдущей
главе. Имеющийся в ее составе модуль Pro/ Manufacturing позволяет
моделировать на компьютере процесс воздействия режущего инс-
трумента на заготовку и отработать рациональные режимы резания
с последующим формированием управляющей программы для
обрабатывающего ЧПУ-станка (станка с числовым программным
управлением). Графически отобразить процесс удаления материала в
процессе обработки заготовки на токарных, фрезерных, сверлильных
и других станках с ЧПУ позволяет модуль Pro/NC-CHEK.
К числу эффективных программных средств автоматизации про-
ектирования технологических процессов относится отечественная
система СКАТ, разработанная и развиваемая в РГУ им. И.М, Губкина
(л, 70.). Эта система внедрена в настоящее время на таких крупных ма-
шиностроительных предприятиях, как Московские заводы «Красный
пролетарий» им. Ефремова, Карачаровский механический завод, завод
Криогенмаш», Средневолжский станкостроительный завод и др.
Для уяснения, что позволяет делать, инженеру-технологу указан-
ная система, коротко остановимся на содержании инженерных работ,
выполняемых на этапе технологической подготовки производства.
Технологическая подготовка производства — это, как известно,
совокупность взаимосвязанных работ, обеспечивающих технологи-
ческую готовность предприятия к выпуску определенного изделия с
заданным уровнем качества, в заданном объеме, в заданные сроки и
в рамках установленных затрат. Под технологической готовностью
предприятия при этом понимается наличие полных комплектов ра-
бочей документации, необходимого технологического оснащения и
ресурсов.
Напомним, что основными направлениями указанных работ
являются;
- обеспечение технологичности конструкции ТО,
-197-
- разработка технологических процессов изготовления,
— конструирование и изготовление средств технологического
оснащения
Технологичность конструкции закладывается в процессе про-
ектирования ТО в совместной работе конс-
труктора и технолога. Приведем следующий
пример. На рис. 55 представлена конструк-
ция пневмоударника ПШ-240 (авт. свид.
470608), разработанного в РТУ нефти и. газа
им. Губкина и предназначенного для ударно-
вращательного бурения скважин различного
назначения в крепких породах.
Как видно из рисунка, пневмоударник
имеет центральную воздухораспределитель-
ную трубку (поз. 5). Первоначально имелось
в виду, что это будет цилиндрическая деталь
с высверленными продольными централь-
ным и периферийными каналами. Однако в
ходе совместной проработки с технологами
завода-изготовителя конструкции пневмо-
ударника выяснилось, что на заводе отсутс-
твует оборудование, позволяющее высвер-
ливать периферийные каналы (центральный
- растачивается) требуемой длины.
В связи с этим конструкция указан-
ной детали была существенным образом
изменена (рис. 56). В окончательном ва-
рианте воздухораспределительная трубка
представляет собой соединение с натягом
двух деталей: внутреннего цилиндра с
фрезерованными по его наружной повер-
хности продольными пазами и наружного
тонкостенного полого цилиндра с просвер-
ленными радиальными отверстиями.
Технологические процессы проектиру-
ют на основе рабочих чертежей деталей и
сборочных чертежей тех узлов, в которые
входят детали, подлежащие изготовлению.
Результатом проектирования тех-
процесса (ТП) является комплект техно-
логическох! документации, содержащей
Рис. 55. Исходная
конструкция
пневмоударника.
Рис 56 Измененная
конструкция.
-198-
информацию, необходимую и достаточную для запуска изделия в
производство.
Технологическая документация подразделяется на документы
общего и специального назначения. К первому типу документов (как
правило, бланков определенного вида) относятся:
- маршрутная карта, содержащая описание ТП по всем опера-
циям в технологической последовательности с указанием данных по
оборудованию, оснастке, их наладке, настройке режущего инструмен-
та, материалам, трудовым И другими нормативам;
- карта эскизов, содержащая графическую иллюстрацию ТП
(изготовляется по усмотрению инженера-технолога в зависимости
от характера и условий производства);
- операционная карта, содержащая описание каждой операции
ТП с членением ее по переходам и указанием режимов обработки и
расчетных временных норм и трудовых нормативов;
-технологическая инструкция, содержащая описание специфи-
ческих приемов работы или методов контроля ТП (операционная кар-
та контроля), правил пользования оборудованием, мер безопасности,
действий и условий, требующих дополнительных разъяснений;
- ведомость расцеховки, содержащая описание маршрута про-
хождения изделия по службам предприятия;
- ведомость материалов, содержащая нормы расхода материалов
на изготовление каждой детали;
- карта технологического процесса, содержащая описание
ТП по операциям одного вида работ, выполняемых в одном цехе в,
технологической последовательноеги.
Документы специального назначения - это, в частности, бланки
с программами для технологического оборудования с ЧПУ.
Даже приведенная краткая характеристика разрабатываемых
в ходе технологического проектирования документов, имеющих в
большинстве табличную форму, свидетельствует, что решаемые
инженером-технологом при заполнении этих таблиц вопросы в це-
лом слабо и плохо формализуемы (исключение составляют расчеты
режимов обработки, отображаемые в маршрутных картах, и расчеты
технологических размерных цепей), он вынужден полагаться во мно-
гих случаях исключительно на свой опыт и интуицию. Все это делает
задачу автоматизации технологической подготовки производства
чрезвычайно сложной.
Практически отсутствуют формальные методы решения (то
есть, не установлены функциональные соотношения, зависимости,
алгоритмы) таких задач, как выбор технологических баз и схем ба-
-199-
зирования, методов обработки, оборудования и оснастки, состава и
последовательности технологических операций.
При решении указанных задач и внесении соотретстгцукицей
им информации в выходные документы, перечисленные выше,
важнейшим методологическим принципом является ориентация
на типовое (стандартное) технологическое решение.
Поэтому при создании автоматизированных систем технологи-
ческого проектирования значительное внимание уделяется формиро-
ванию множества (говоря компьютерным языком - базы) подобных
решений, сопровождаемых правилами их применения и проверки.
То есть фактически речь идет о базах технологических знаний как
о важнейшем компоненте программного и информационного обес-
печения автоматизированной системы технологической подготовки
производства.
В реальной организационной среде проектирования каждый
инженер-технолог ведет разработку ТП для определенного набора
деталей в соответствии с реацизуемым на производстве принципом
специализации. И у него, как правило, «под рукой» имеется ком-
плекты документации или отдельные фрагменты, относящиеся к
проектировавшимся ранее ТП изготовления аналогичных деталей.
Благодаря этому он может оперативно вносить коррективы в указан-
ную документацию и передавать ее в производство или использовать
фрагменты из готовых или незавершенных ТП при проектировании
ТП на новые детали. В компьютерной среде проектирования, в
частности, с использованием системы СКАТ, данная технология
деятельности может быть обеспечена с высокой эффективностью.
Программный комплекс СКАТ, являющийся двухуровневой
диалоговой системой, имеет, как и пакет PRO/ ENGINEER, модуль-
ную структуру. Одна группа модулей, образующих ядро системы
— это файлы с условно-постоянной информацией, необходимой для
функционирования всей системы, другая группа объединяет файлы,
в которых хранятся готовые описания технологических процессов,
соответствующие различным технологическим переделам, созданные
как при разработке системы, так и добавленные пользователями при
работе в системе.
Разработка техпроцесса осуществляется с помощью специального
технологического текстового редактора. При работе с этим редакто-
ром на экране в зависимости отрешаемой задачи формируется облик
соответствующего документа (маршрутной или операционной карты,
ведомости расцеховки и т.д.). который может быть при необходимости
распечатан (рис. 57).
-200-
5ЖК ГрГЯГ
рт— —
• :»м 1
-Пчи- IT L
1
Кором* ЗИЛ 130-1006013 &Жэ7
Проверил
М Зввржиияд Вел распределительны!! | 1
..
М0 1 Стыл 43 (С 0,43-030»! ГОСТ «НО-14 Зеуквза. инне КЛа до 01.091-79
коз | ЁЯ 1 Мд п рофид». ujiiwdl лог^ из
мй 2 «г 5,78 1 0.6+ 1 8.96 зязмеро 0CTJ7.O
А У«, [ PM I т Код, р.лерд^м 1 О6п1И13 tlИ* 1йк ум рыт*
Б Кч>. "<!«<»• чш абО УТ 1 kF ТИЩ- СЙ1 ! К шт Tri г сп-
Г ПИ Л мм В. Liw t ими NW ww 1 S. ыв»*ЬЙ п V
—т * -1 12 7 003 Фреаерно-центромлыш 37.105350S5; 37.10535065;37.105.35061;37.К М.55074-инс-
4 трукцик ТБ.
Т* ДаухстороякиЙ фрезерно-цеатровальны!
_ А. БАРАБАННОГ ТИПА ТРЕХПОЗИЦНОННЫЙ ПОЛУ-
в АВТОМАТ МОД.МР-76 М93046,94789
“Я"
0 I поаяиих
0 Установил, деталь в призмы нзвкрепнть.
г Отарепигь деталь н сиггь после обработки.
2
Рис. 57. Распечатка маршрутной карты.
Система СКАТ имеет собственные (внутренние) базы данных на
материалы, инструмент, технологическое оборудование и т.п,, которые
необходимы и используются в описаниях техпроцессов, тот есть для
заполнения потей указанных документов, которое осуществляется
в диалоговом режиме, реализуемом через иерархическую систему
меню. Для хранения созданных таким образом документов в системе
предусмотрен специальный архив.
Система имеет также инструментальные средства, в частности,
специальный язык программирования для работы с внешними базами
данных, пакетом AUTOCAD и другими программными комплекса-
ми. Таким образом, имеется возможность объединять программные
средства, составляющие «конструкторские» САПР с программными
средствами автоматизации технологической подготовки производства
и тем самым создавать комплексные автоматизированные системы
технической подготовки производства.
Подобную систему распространяет и отечественная фирма «Топ
Системы» (www.topsistems.ru) - разработчик широко известных про-
граммных продуктов T-flex.
На рис. 58 представлена структура программного комплекса
T-flex. Разработчикам этого комплекса удалось достичь полной ин-
теграции системы параметрического конструирования T-flex Cad
и системы автоматизированного проектирования технологических
процессов Т-Пех/ТехноПро.
-201 -
Инженер-конструктор создаст чертеж изделия вТ-flex Cad, затем
этот чертеж по локальной компьютерной сети предприятия передается
в компьютер инженера-технолога, который с помощью T-flex Cad и
системы T-flex /ТехноПро вносит в чертеж недостающую технологи-
ческую информацию (технологические размеры, базовые поверхности
и т.д.) и разрабатывает необходимую технологическую документацию
на изделие (проектирует технологический процесс). Существенно
важно, что изменение геометрических параметров (размеров) на конс-
трукторском чертеже автоматически обновляются и технологические
параметры как на рабочих чертежах, так и во всех связанных с этими
параметрами технологических документах.
В системе T-flex/ТехноПро можно формировать операционные,
маршрутные карты, карты контроля, ведомости оснастки, титульные
T-FLEX СЛО 3D
Трсям«(я«х IFCpAOteAMKie
СЛПЛСЛМ/СЛЕ/САРР/ГОМ
-FLEX Технология
T-FLEX CAD 2D
К онстр уц горек вя
подготовив производства
Библиотеки
Библиотеки п>рДА*е<рнч«жм<
г—FLEX Нормирование
подготбвка процзлодстзд
T-FLEX ЧПУ
Р<ипл<иш> ЛЛЯ < ЧПУ
Т-FLEX Печатные платы
Конмр>ор роммы* САПР
-FLEX Л1С Tracer
Документооборот
Т—FLEX Анализ
коНСЧНСЬ'ЭЛФМС*ГГЖдД АНАЛИЗ
Т-FLEX/ ИС
ИнЖ*»ер«ВЫО QF4»D<nUlh
T-FLEX Динамика
Т-FLEX/ Раскрой
Прикладные системы
Т-FLEX/ Пресс-формы
T-FLEX Расчеты/
Тубчапие леремчн
Т-FLEX DOCs
Упридемме лроехквин и
МжржНПМЮОрОТОМ
Т-FLEX/ Штампы
FlbjMeKfMpDWmMf (ммдетхн мгаьмло»
ERP
Рис. 58. Структура программного обеспечения
Расчетные системы
Т-FLEX/ Пружины
КОНЕ*р)'НрСЖЛНМ« ynpytux злемемтеж
-202-
листы и другие документы. Технолог сам выбирает метод проекти-
рования, наиболее подходящий для него, а также способ его исполь-
зования. Например, сборочные технологические процессы можно
проектировать в интерактивном режиме (режиме диалога), изготов-
ление корпусных деталей - в полуавтоматическом, а стандартных тел
вращения (валов, втулок и т.п.) - в автоматическом режиме.
Итак, технологическая подготовка производства - это специфи-
ческий вид проектной работы, требующий для своей автоматизации
разработки специальных программных средств. Включение этих
средств в системы автоматизированного проектирования является
одним из актуальных направлений автоматизации инженерной де-
ятельности и позволяет толковать САПР в расширительном смысле,
то есть не только как системы, позволяющие автоматизировать проек-
тно-конструкторские работы, но и как системы, ориентированные на
автоматизацию технической подготовки производства в целом. Иначе
говоря, как интегрированные системы CAD/CAE/CAM.
Более высокой ступенью интеграции программных средств ком-
пьютеризпции инженерной деятельности, нежели системы CAD/CAE/
САМ, являются CALS (Computer Acquisition and LifeCysle Support)
- технологии (л. 72). Это технологии комплексной компьютеризации
сфер промышленного производства, и их цель стандартизация и унифи-
кация спецификаций промышленной продукции на всех этапах ее жиз-
ненного цикла. (В автоматизированных проектных процедурах вмес-
то еще не существующего, то есть не изготовленного ТО оперируют
квазиобъектом-моделью, которая отражает определенные свойства
ТО. В конструировании такими моделями являются геометрические и
топологические модели—чертежи и схемы, а также математические
модели-формулы, уравнения, графики. В технологической подготовке
производства используют модели техноллогических процессов — тех-
нологическую документацию в виде маршрутных, операционных карт,
ведомостей и т. д. Все эти квазиобъекты и модели и определяются в
системном инжиниринге как спецификации ТО).
В CALS-системах на всех этапах жизненного цикла ТО исполь-
зуется документация, разработанная на этапе проектирования. При
этом CALS-система — это открытая и одновременно распределенная
автоматизированная система для проектирования и управления
производством и эксплуатацией ТО; в ней поддерживается система
стандартов на процедуры, форматы межпрограммных обменов, до-
кументацию.
В частности, стандарт SGML (Standart Generalized Markup
Language), унифицирует оформление документов определенного
-203-
назначения - описаний, отчетов, каталогов и т.д., стандарт EDIFACT
- способы обмена этими документами, совокупность стандартов
STEP (Standart for Exchange of Product data) под номером ISO 10303
- определляет средства моделирования промышленных изделий на
всех этапах жизненного цикла
Применение CALS позволяет существенно сократить объемы
проектных работ на стадиях конструирования, и технологической
подготовки производства, так как описания многизх составных
частей оборудования, маших, мпеханизмов, узлов и агрегатов, про-
ектировавшихся ранее, ранятся в базах данных сетевых серверов,
доступных любому проектировщику. Облегчается решение проблем
ремонтопригодности, интеграции ТО в более сложные комплексы и
технологические системы.
Фактически с развитием СALS-техпологий связывается созда-
ние виртуальных производств, при которых процесс создания спе-
цификаций (т.е проектной, технологической и иной документации
необходтимой на соответствующих этапах жизненного цикла ТО)
вместеи с информацией для программно управляемого технологичес-
кого оборудования, распределяется во времени и пространстве между
многими организационно автономными субъетами промышленной
деятельности.
-204-
§ 2.2.3 Автоматизированные гибкие производственные системы
Материал настоящего параграфа касается использования в сов-
ременном производстве компьютеризированного технологического
оборудования и связанных с этим изменений в характере инженерной
деятельности специалиста, управляющего технологическим процес-
сом изготовления.
В течение длительного времени в машиностроении и родственных
ему ограслях промышленности к образцовым относились предприятия
с малономенклатурным массовым, поточно-конвейерным производс-
твом продукции, отличающимся высоким уровнем автоматизации за
счет применения станков-автоматов, автоматических поточных линий,
робототехнических комплексов и т.п. Однако, как показывает анализ,
в промышленно развитых странах доля крупносерийного и массового
производства по объему производимой продукции не превышает 25%,
причем мировая тенденция такова, что с каждым годом повышается роль
мелкосерийного и единичного производства с большой номенклатурой
изделий в связи со всевозрастающими в соответствии с потребностями
рынка темпами обновления типов, конструкций и параметров ТО.
Эффективность деятельности предприятий, способность их к
выживанию в острейшей конкурентной борьбе зависят от уровня
возможностей в короткие сроки и с минимальными затратами пере-
страиваться на выпуск продукции сообразно колебаниям спроса. Эти
возможности в значительной мере связаны с внедрением автоматизи-
рованных гибких производственных систем - ГПС (л.ЗО, 92).
Согласно ГОСТ 26228*85 ГПС — это совокупность в разных со-
четаниях оборудования с ЧП У, роботизированных технологических
комплексов, гибких производственных модулей, отдельных единиц
технологического оборудования и систем обеспечения их функциони-
рования в автоматическом режиме в течение заданного интервала
времени, обладающая свойством автоматизированной переналадки
при изготовлении изделий произвольной номенклатуры в установ-
ленных пределах значений их характеристик.
Напомним, что подразумевается под роботизированными тех-
нологическими комплексами (РТК) и гибкими производственными
модулями (ГПМ).
Роботизированный технологический комплекс (РТК) — это со-
вокупность единиц технологического оборудования, включающих
промышленные роботы и средства оснащения и автоматизирован-
ной переналадки, функционирующая автономно и в циклическом
режиме.
-205-
ГПМ - это единица технологического оборудования с програм-
мным (т.е. компьютерным) управлением, для производства изделий
произвольной номенклатуры в определенных пределах значений
их характеристик, автономно функционирующая, автоматически
осуществляющая все функции, связанные с изготовлением изделий,
родная к встраиванию в ГАС. В частности. ГПМ механообработки
обычно состоит из станка или обрабатывающего центра с ЧПУ, систе-
мы контроля и управления, промышленного робота или манипулятора,
накопителей заготовок и деталей, системы уборки, стружи»
В состав ГПС входит целый ряд вспомогательных систем, в
частности, автоматизированные складская и транспортная системы,
автоматизированная система инструментального обеспечения и др.
В этих системах также широко используются роботы; роботы
штаблсры, робокары, манипуляторы и т.д.
Как правило, автоматизированные складская или транспортная
системы управляются от центрального компьютера, а робокары или
манипуляторы - с помощью встроенного (бортового) компьютера,
связанного каналом связи с центральным.
Центральный компьютер анализирует заявки от станков на ма-
териалы, заготовки, полуфабрикаты, инструменты и т.п., составляет
маршрут движения робокаров, определяет последовательность и сроки
обслуживания станков. При аккумуляторном питании робокаров учи-
тываются временые интерваплы, через которые должна производиться
подзарядка аккумуляторов.
В состав ГПС входят подготовительный и инструментальный
участки. На первом осуществляется сборка приспособлений, ycia-
новка заготовок в зажимные приспособления и паллеты, которые
робокарами транспортируются на ГПМ, где происходит обработка
заготовок.
На втором - производится подготовка, комплект an,i тя. и нар тройка
инструментов, загрузка их в сменные инструментальные магазины. На
этом участке осуществляется также разборка инструментов после их
эксплуатации, контроль, сортировка, подготовка к отправке на склад,
в заточку, ремонт, пли на утилизацию (в металлолом).
По степени автоматизации подготовительный и инструменталь-
ный участки - самые отсталые в ГПС, так как большинство операций
здесь выполняется вручную.
В публикациях об экономической эффективности ГПС и опыте
их внедрения как в нашей стране, так и за рубежом отмечается улуч-
шение следующих технико-экономических показателей деятельности
предприятий.
-206-
Во-первых-это повышение качества продукции, снижение коли-
чества брака за счет сокращения числа переустановок деталей, комп-
лексному контролю и диагностике технологических режимов работы
оборудования и состояния инструмента, практическому исключению
брака по вине рабочих и операторов.
Во-вторых — это сокращение длительности производственного
цикла изготовления изделий за счет обеспечения непрерывности
производственного процесса, увеличения числа смей работы и коэф-
фициента загрузки оборудования, сокращения длительности вспомога-
тельных операций, связанных с транспортировкой и складированием
материалов, деталей заготовок и инструмента.
В-третьих - это снижение трудоемкости изготовления изделий
за счет сокращения затрат времени на переналадку станков и другого
технологического оборудования, концентрации технологических опе-
раций на ГПМ с минимизацией в связи с этим переустановок деталей
И совмещения ряда этих операций.
В-четвертых—это уменьшение периода освоения новых изделий,
сокращение сроков выполнения заказов (от момента приема заказало
отгрузки готовых изделий), расширение номенклатуры выпускаемой
продукции и, как следствие, повышение конкурентоспособности
предприятия.
В-пятых — это уменьшение размеров предприятий вследствие
сокращения производственных площадей под технологическое обо-
рудование, размещаемое более компактно и рационально, склады,
вспомогательные службы и т.д.
В-шестых - это более эффективная (в частности более оператив-
ная и четкая) система организации и управления производством.
Все это в конечном итоге обеспечивает снижение себестои-
мости продукции, повышение фондоотдачи ц увеличение прибыли
предприягия.
Уже нс перспективой, а реальностью стали гибкие заводы-автома-
ты с так называемым «безлюдным» производством. В цехах подобных
предприятий практически пет традиционных рабочих-станочников
(токарей, фрезеровщикоз, строгальщиков, слесарей-сборщиков, свар-
щиков и т.п.) и таких предприятий в мире существует уже несколько
десятков, большая часть которых находятся в Японии.
Ряд современных философов определяет постиндустриальное об-
щество как обгцество производства услуг, а не машин, в том смысле,
что в подобном обществе благодаря высокому уровню технологизации
и автомагизации численность работающих в сфере производства про-
мышленной и сельскохозяйственной продукции становится меньше,
-207-
и чем далее, тем заметнее, рост численности занятых в сфере сервиса
(автоматизация и информатизация, техническое обслуживание, ре-
монт, диагностика, консалтинг, сертификация и проч.)
Однако в заключении настоящей главы хотелось бы отметить
следующее. Гибкие автоматизированные производственные системы,
безлюдные компьютеризированные производства пока еще не стали
преобладающим типом производств. В течение длительного времени
типичными производственными структурами будут машинострои-
тельные и механические заводы с цехами, имеющими обычное обо-
рудование, участками, на которых работают бригады станочников, и
которыми руководят мастера.
Как правило, мастер участка или цеха — это одна из начальных
инженерных должностей, и поэтому естественен вопрос, в какой
мере и как может или должна быть целесообразным образом ком-
пьютеризирована деятельность мастера, основная задача которого:
обеспечивать соблюдение на каждом участке, на каждом рабочем
месте технологической дисциплины, организовывать работу бригады,
определять каждому ее члену производственное задание, добиваться
повышения квалификации и уровня работы бригады в целом и каждого
работника в отдельности.
На этот вопрос можно дать следующий ответ. Норма работы мас-
тера цеха или участка в современном производстве состоит в том, что
его рабочее место, безусловно, компьютеризировано, причем компью-
тер мастера входит в локальную сеть предприятия. В частности, ком-
пьютер технолога, работающего в службе (отделе) главного технолога
и отвечающего за соответствующий передел, связан с компьютером
мастера, что позволяет технологу разработанную им документацию
по техпроцессу, реализуемому участком, транслировать в компьютер
мастера. При этом мастер дает поручение технологу участка составить
с использованием этого компьютера и затем распечатать операци-
онные или маршрутные карты, которые мастер распределит между
станочниками. Кроме того, технолог участка может внести, если это
предусмотрено возможностями используемой системы автоматизации
проектирования технологии, некоторые коррективы в техпроцесс и
перетранслировать их в компьютер отдела Главного технолога — ОГТ
(рис. 59}.
-208-
Рис. 59. Компьютеризированное рабочее место мастера.
Компьютер мастера связан также с компьютерами служб уп-
равления предприятием как звено в системе автоматизированного
управления (АСУ), В определенные файлы или базы данных мастер
вводит учетную информацию о ежедневных заданиях и выработке
каждого рабочего, о расходованиц материалов, инструмента, о просто-
ях оборудования и проч. Эта информация по компьютерным каналам
поступает в соответствующие службы и является одним из оснований
для принятия различных управленческих решений, в частности^ для
начисления заработной платы работающим на участке.
Локальная вычислительная сеть Предприятия, с помощью кото-
рой обеспечивается функционирование АСУ и которая объединяет
компьютеризированные рабочие места руководителей всех рангов,
начиная с мастера, позволяет организовать работу внутренней элек-
тронной почты. Ее наличие дает возможность оперативно информи-
ровать мастера о приказах, распоряжениях и указаниях руководства,
предоставлять в его распоряжение другие значимые для него сведения
и данные, не прибегая для этого к тиражированию и рассылке тради-
ционных бумажных носителей информации, отказываясь от становя-
щихся анахронизмом ежедневных утренних «планерок».
Подробнее рассматривать данный вопрос - значит, касаться об-
щих проблем современной организации и управления современным
производством,
-209-
ГЛАВА 2.3.
Испытания
§ 2.3.1 Виды испытаний
Углубленный анализ работ, проводимых на отдельных этапах
цикла жизни ТО, приводит к выводу, что к обязательным работам,
выполняемым практически на каждом из этих этапов, следует отнести
испытания.(л. 33)
Испытание - это вид инженерной деятельности, содержанием
которой является получение опытным путем качественной или коли-
чественной информации о некоторых характеристиках, параметрах
или свойствах ТО, отдельных его уздов, деталей, каких-либо других
элементов, а также протекающих при его функционировании процес-
сов , необходимой для принятия решений по вопросам, возникающим
при создании или использовании ТО.
В множестве вопросов, для решения которых необходимо прове-
дение испытаний, можно выделить две основные группы: это, во-пер-
вых, вопросы, касающиеся соответствия указанных характеристик,
параметров или свойств ТО тем или иным требованиям или услови-
ям, и, во-вторых, это вопросы, связанные с разработкой адекватных
математических моделей, которые используются при проектировании
и эксплуатации ТО и идентификацией этих моделей.
Формулируя понятие испытаний несколько по другому, чем это
сделано в ГОСТ 16504-81 «Испытания и контроль качества продук-
ции», мы стремимся подчеркнуть целевую функцию испытаний как
особого способа получения информации, необходимой для принятия
решения относительно ТО на одном из этапов его цикла жизни: при
проектировании, изготовлении, использовании по назначению или
техническом обслуживании.
Испытания не тождественны эксперименту, поскольку целевая
функция эксперимента - получение нового знания вне прямой связи
с созданием или использованием ТО, но испытания могут рассмат-
риваться как особый тип эксперимента.
Существует несколько классификаций испытаний,
В частности, испытания различаются (рис. 60) по условиям
проведения (лабораторные, стендовые, полигонные, натурные,
эксплуатационные), ио целям (исследовательские, контрольные,
сравнительные, определительные, доводочные, аттестационные,
сертификационные), по организации проведения (государственные,
-210-
межведомственные, ведомственные), по характеру принимаемых
решений (предварительные, приемочные, предъявительские, приемо-
сдаточные, типовые), по способу получения информации (нормальные,
ускоренные, с использованием моделей), по оцениваемым свойствам
ТО (функциональные испытания, испытания на прочность, устойчи-
вость, надежность, технологичность и т.п.,), по применяемым методам
измерений (неразрушающие, разрушающие), по воздействию внешних
факторов (механические, климатические, термические, химические,,
радиационные).
Л
разрушающие
нзраэрушзющце
аттестационные
сертификационные
доводочные
механические
электрические
химические, магнитные
радиационные
функциональные
на прочность
на Надежность
на технологичность
11ТД
Л
государственные
межведомственные
ведомственные
инспекционные
лабораторные
стендовые
полигонные
натурные
эксплуатационные
предварительные
приемочные
првдъ я вител ь окне
приемесдаточные
типовые
виды
ИСПЫТАНИИ
Рис. 60. Классификацг^я видов испытаний (ГОСТ 16504-81).
нормальные
ускоренные
с использованием
моделей
укороченные
исследовательские
контрольные
□предел итепьн ые
сравнительные
Существо большинства из указанных видов испытаний очевидно
из их названия. Поэтому мы коротко, в порядке иллюстрации рассмот-
рим их цели и содержание с помощью примеров и в «хронологичес-
ком» порядке, го есть связывая их с этапами жизненного цикла ТО.
Итак, на начальных стадиях проектирования, иначе говоря, в
ходе концептуального проектирования проводят в основном исследо-
вательские испытания. Они могут быть лабораторными, стендовы-
ми, натурными, реже эксплуатационными, с использованием моделей,
определительными, функциональными и т.д.
В § 2.1.4 рассматривался пример создания бурового станка удар-
но-шарошечного бурения БТС-500. Исследовательские испытания,
о которых шла речь в примере, можно трактовать как эксперимен-
тальные исследования, предшествовавшие началу конструкторских
-211 -
работ по этому станку и направ-
ленные на выяснение возможнос-
ти эффективного использования
ударно-вращательного метода
бурения скважин под сваи в трс-
щеноватых вечномерзлых грунтах
с включением валунов и галечни-
ка, и определение тех выходных
параметров вновь проектируе-
мого бурового станка, которые
следовало бы реализовать. Это
были натурные испытания, но не Рис. 61. Схема вибросита для очистки
создаваемого ТО, а его аналога, а бурового раствори.
точнее говоря - с использованием
модели, роль которой выполнял станок СБШ-160.
Приведем еще один пример исследовательских испытаний На
протяжении многих лет во ВНИИНЕФТЕМАШс, головном научно-
исследовательском институте нефтяного машиностроения, совмес-
тно с РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина проводились работы пр
совершенствованию вибросит, используемых для очистки бурового
раствора от частиц выбуренной породы (шлама). Эффективность
работы вибросита определяется прежде всего степенью очистки
раствора (отношением концентрации шлама в растворе до и перле
сита), потерями раствора, обусловленными попаданием части его
в амбар вместе со шламом, долговечностью и безотказностью всех
узлов и деталей. Если у двух вибросит разных конструкций указан-
ные характеристики, а также пропускная способность, то есть объем
раствора, проходящий через сито в единицу времени, на одном уровне,
то совершеннее будет признана то вибросито, которое имеет меньшие
габариты и легче.
Качество очистки раство-
ра и уровень его потерь зави-
сят при прочих равных усло-
виях от параметров режима
вибрации сита (амплитуды,
частоты, направления) и угла
наклона поверхности сетки к
горизонту {рис. 62)
Математические модели,
с помощью которых можно
с достаточной точностью
Рис. 62. Лабораторнаяустановка для иссле-
дования процессов виброочистки бурового
раствора
-212-
рассчитывать оптимальные значения указанных параметров, чрезвы-
чайно сложны. Поэтому разработка программного обеспечения для
компьютерного моделирования процессов виброперемещения шлама
и течения глинистого раствора по поверхности сетки - задача ресжа
дорогостоящая В силу этого в данной (и вообще в подобных) ситуа-
ции оказалось целесообразным провести лабораторные и стендовые
исследовательские испытания.
На рис. 62 показана созданная в институте Губкина лабораторная
установка для изучения возможности построения феноменологической
модели течения глинистого раствора по поверхности вибрирующей
сетки, в которой влияние вибрации имелось в виду учесть через коэффи-
циент местного гидравлического сопротивления (каковым для раствора
является сетка), входящий в известную формулу Дарси-Вейсбаха.
Испытательный стенд, разработанный во ВНИИНЕФТЕМАШе?
представлял собой уменьшенную модель реального вибросита, конс-
трукция которого позволяла легко менять угод наклона, направление
и амплитуду ее вибрации сетки. Электропривод постоянного тока,
реализованный на стенде, позволял варьировать в широком диапазоне
частоту вибраций.
Выполненные на описанном оборудовании исследорательские
лабораторные и стендовые испытания позволили эксперименталь-
ным путем определить оптимальные значения основных параметров
вибросита ВС-2 и кроме того усовершенствовать методику расчета
пропускной способности вибросит.
Приведенные примеры дают достаточное представление о целях
и содержании, исследовательских испытаний.
В ходе проектирования может возникнуть необходимость и других
видах испытаний, например сравнительных, которые определяются в
ГОСТ 16504-81 как испытания аналогичных по характеристикам или
одинаковых объектов, проводимые в идентичных условиях для срав-
нения их характеристик, Подобные испытания при проектировании
проводят, например, когда предполагается использовать в проекте одно
из известных решений, и имеется возможность экспериментально
проверить их. Естественно, что и сравнительные испытания могут
быть лабораторными, стендовыми, эксплуатационными, функцио-
нальными, испытаниями на надежность и проч.
Большой объем испытательных работ проводится на этапе из-
готовления ТО.
Всесторонним испытаниям подвергается опытный образец ТО,
Как правило, после его изготовления проводятся ведомственные
заводские (обычно, стендовые) испытания.
-213-
В ходе этих испытаний, которые обычно являются комплексными
и могут включать в себя определительные испытания на надежность,
устойчивость, прочность, на различные виды воздействия {механи-
ческие, электрические, магнитные и т.д.), устанавливается, в полном
ли соответствии с рабочими чертежами и предписанной технологией
изготовлен образец, соответствуют ли его выходные параметры, т.е.
технико-экономические показатели проектным значениям. Данные
заводские испытания относятся к категории контрольных и про-
водятся, как правило, в. два этапа; вначале как предварительные, а
затем как приемочные. JB результате предварительных контрольных
испытаний могут быть внесены в оперативном порядке некоторые
конструктивные или технологические коррективы в техническую
документацию, заново изготовлены отдельные детали или узлы и
проведены соответствующие доводочные испытания ТО. Последу-
ющими видами испытаний опытного образца могут быть натурные
И эксплуатационные испытания.
Основным результатом приемочных испытаний опытного об-
разца является решение вопроса о возможности и целесообразности
дерехода к изготовлению опытной (установочной) партии изделия,
Среди испытаний, осуществляемых в связи с внедрением новых
ТО, отдельных его узлов, используемых при изготовлении материалов,
особое место занимают ускоренные испытания. Необходимость в
подобных испытаниях возникает тогда, когда оказывается неприемле-
мым получение необходимой информацию о некоторых свойствах или
характеристиках ТО в сроки, соответствующие периоду нормальной
эксплуатации.
В частности, с помощью ускоренных стендовых испытаний
опытных образцов ТО устанавливают показатели долговечности (ре-
сурс, наработка на отказ и проч.) подшипниковых узлов, различных
сопряжений, выходящих из строя вследствие изнашивания.
Серийно производимые ТО также подвергаются испытани-
ям, как заводским, так и эксплуатационным. В частности, на этой
стадии специально уполномоченными организациями проводятся
инспекционные испытания с целью контроля стабильности качества
изделия. В связи с постоянным совершенствованием и обновлением
технологического оборудования, применяемых материалов, других
компонентов технологии изготовления ТО нормативно-технической
документацией предусматриваются типовые контрольные испыта-
ния. Их цель состоит в оценке эффективности вносимых изменений
в технологический процесс и конструкцию ТО.
Эксплуата тонные испытания выпускаемых серийно ТО, которые
-214-
проводят.ся с определенной периодичностью, могут иметь целью про-
верку стабильности его выходных параметров (рроцлдодительиостн,
мощности, крутящего момента и т.п.), установления влияния условий
эксплуатации на показатели долговечности и безотказности.
Эксплуатируемые ТО испытываются и с целью диагностики их
состояния, выявления и локализации дефектов и неисправностей.
(Примером простейших типовых диагностических испытаний ТО
в условиях эксплуатации, может служить проверка турбобура перед
спуском его в скважину)
Полномасштабные диагностические испытания, являющиеся
как правило определительными, могут быть натурными, то есть про-
водиться в условиях, соответствующих условиям использования ТО
по назначению, а также стендовыми (с использованием специальных
диагностических стендов, имеющихся на станциях или базах техни-
ческого обслуживания)
В силу особой значимости диагностических работ, осуществляе-
мых в период эксплуатации ТО, мы посвятим вопросам диагностики
отдельный параграф в главе 2.4.
Итак, испытания действительно сопровождают ТО на протяжении
всего его жизненного цикла. В цем же конкретно заключается работа
инженера в этой области?
Отмстим четыре основные группы вопросов, решаемых им при
любых испытаниях. Первая - это разработка программы и плана
испытаний, вторая — это осуществление испытаний и, главное,
проведение различного рода измерений, третья группа - это обра-
ботка (расшифровка, определение основных статистических харак-
теристик, достоверности, надежности результатов, выбор формы их
представления: составление таблиц, графиков), и, наконец, четвертая
-это интерпретация полученных результатов, их анализ, форму-
лирование выводов и принятие решения).
Кроме этих, всегда стоящих перед инженером-испытателем воп-
росов, ему приходится решать и специфические вопросы, связанные
непосредственно с видом проводимых испытаний, особенностями ТО,
условий его эксплуатации. К таким вопросам можно, например, отнес-
ти создание специальных испытательных стендов и полигонов.
Заметим, что разработка программы, плана и методики ис-
пытаний, включающей вопросы техники и технологии измерений
и обработки их результатов, - это по сути проектная работа,
поскольку «па выходе» должна быть получена документация, со-
держащая необходимую и достаточную для проведения испытаний
информацию.
-215-
В настоящее время в распоряжение инженеру предоставляются
весьма эффективные компьютерные средства планирования испыта-
ний и обработки их результатов. Прежде чем рассмотреть эти средства,
остановимся более подробно на существе указанных вопросов.
-216-
§ 2.3.2 Планирование испытаний
Испытания нужно планировать — это очевидно, Их проводят
работники, которым следует четко определить цель и задачи испы-
таний, указать, какую информацию требуется получить в результате
их проведения, в каком объеме, какими способами, с помощью каких
средств, в какие сроки и т.п. Все это должно содержаться в програм-
ме и методике испытаний - документах, на основании которых они
проводятся.
Но спланировать испытания можно удачно и неудачно. Приведем
классический пример, иллюстрирующий это обстоятельство (л. 67).
Пусть задача контрольных испытаний состоит в выборочной
проверке веса некоторого ТО. Для взвешивания на весах взяты три
образца, которые мы обозначим через А, В и С.
Взвешивание указанных образцов можно произвести по-разному.
По одной схеме вначале устанавливается нулевая отметка на шкале
весов, а затем по очереди взвешивается каждый образец. Итак, вы-
полнены четыре процедуры взвешивания и соответствующие этим
взвешиваниям положения индикатора обозначим через у7, у2 иуг
По другой схеме «нулевое» взвешивание не производится, но после
того, как по очереди взвешены все три образца в отдельности, они
взвешиваются в совокупности. Полученный таким образом результат
измерения обозначим через у
В первом случае веса образцов определятся так:
л = У, - Уо
£= Уг- У»
с= Уз - у«
Во втором случае веса будут вычисляться по формулам;
А =(УХ-У,- У3 + У,)/2
В = (Уг-У, - У3 + У2)/2
с= (У2-У,- У2+ У3)/2
Оказывается, что вторая схема взвешивания дает более точные
результаты.
Действительно, значения у0, ур у,, ур у£ - случайные величины,
распределенные одинаковым образом. Дисперсия этого распреде-
ления, характеризующая возможную ошибку взвешивания на весах
используемого типа, равна <У(у).
Дисперсия случайной величины А в первом случае, в соответс-
твии с правилами вычисления дисперсии суммы случайных величин,
будет равной
а2 (А) = и2 (у1 - уу) = 2а2(у)
-217-
а во втором случае, в соответствии с теми же правилами,
сг2(Л) = а2 ((ух - у2 - У3 +у,)/2) = 4 а2(у) /4 = с?;(у),
то есть вдвое меньше.
При одинаковых затратам (времени, труда, каких-либо других
ресурсов) на проведение испытаний (в рассмотренном примере
затраты впрямую определяются числом взвешиваний) всегда пред-
почтительнее та схема, которая позволяет получить более точную
информацию.
В приведенной задаче лучший из двух рассмотренных планов
испытаний (один из которых является однофакторным, а второй
- многофакторным) с этой точки зрения достаточно очевиден.
Но если ставится задача проведения испытании типа тех, о ко-
торых шла речь в примере с виброситом, то составить хороший план
в подобном случае - это уже серьезная проблема. И для того, чтобы
справиться с этой проблемой, нужно знать и уметь использовать ме-
тоды теории испытаний (л, 33/
Теория испытаний базируется на теории вероятностей и матема-
тической статистике, теории статистических выводов, теории надеж-
ности, теории информации и ряде других научных дисциплинах,
Основные проблемы, которые решаются в рамках теории испы-
таний - это выбор критериев эффективности испытаний, разработка
модели объекта испытаний, выбор объемов и последовательности
испытаний, определение информативных и контролируемых (изме-
ряемых) параметров.
Имеется обширная литература, посвященная планированию ис-
пытаний, поэтому мы ограничимся здесь лишь рассмотрением сути
этих проблем.
Итак, как нужно спланировать и провести испытания, чтобы они
оказались эффективными?
Напрашивающийся ответ такой: чтобы в результате испытаний
получить необходимую информацию с минимальными затратами.
Это, казалось бы бесспорное утверждение является однако недоста-
точно конструктивным.
Действительно, оказывается, что на самом деле совсем не просто
установить, какая подученная информация, в каком объеме и какого
качества в смысле точности и достоверности необходима и доста-
точна, чтобы цель испытания можно было считать достигнутой и
соответствующие этим целям решения можно было бы принять (или
не принять).
Кроме того, нужно не забывать, что испытаниям подвергается
технический объект, и это делается, в конечном счете, для того, чтобы
-218-
обеспечить его эффективность, чтобы в последующем создавать более
эффективные ТО. Затраты на испытания-это лишь часть затрат, свя-
занных с этим. Экономя средства на испытаниях на одном этапе жиз-
ненного цикла ТО, например проводимых на стадии проектирования,
довольствуясь точностью полученной с их помощью информацией,
мы впоследствии (при изготовлении или в процессе эксплуатации)
можем понести немалые убытки в связи с принятыми по результатам
этих испытания решениями.
Несколько позже мы поясним это на примере. Сейчас же напом-
ним, что подразумевается под точностью и надежностью информации,
получаемой в результате испытаний.
В силу того, что на результатах испытаний сказываются различ-
ного рода случайные факторы, уровень точности в теории испытаний
определяется доверительным интервалом статистических оценок
измеряемых параметров, а надежность - доверительной вероятнос-
тью.
Доверительный интервал I — это такой диапазон значений х* +
е, где х* - полученная в испытаниях численная оценка некоторого
параметра i (среднее арифметическое), который с вероятностью Р(1),
называемой доверительной вероятностью, включает его действи-
тельное (истинное) значение - математическое ожидание х (рис. 63).
Очевидно, что чем шире I, тем больше Р{1).
О х*- е х х* х*+е х
Рис. 63 К определению доверительного интервала
Относительная величина доверительного интервала 2е/х
характеризует точность результата испытаний, а доверительная
вероятность — надежность. Таким образом, хорошим будет такое
испытание, при котором доверительный интервал окажется малым,
а доверительная вероятность — высокой (близкой к единице).
Как этого добиться? Чтобы понять, что следует делать, рассмот-
рим два варианта испытаний. В одном варианте оценка х’ параметрах
получена в результате однократного его измерения, результат которого
обозначим через Zj;
X’ = z(,
а во втором случае - как среднее арифметическое п измерений:
x’^CZj +z2 + z3+....+zn)/n.
Понятно, что и х‘, их, также, как иг- случайные величины.
-219-
/(X)=(•
2л<7
Положим для определенности, что z распределено по нормальному
закону с плотностью распределения вероятностей
Входящее в это выражение среднеквадратическое отклонение а
возможных значений z от математического ожидания х (то есть истин-
ного значения измеряемого параметра х) определяется погрешностью
используемой измерительной аппаратуры и в принципе может быть
известно испытателям.
Такую же плотность распределения имеет и равная х оценка изу-
чаемого параметра х. Что же касается оценки х”, то будучи суммой п
одинаково распределенных случайных величин, случайная величина
X* будут иметь нормальное распределение с плотностью
Зададимся величиной доверительного интервала 2е = t Тогда для
е
случайной величины ус доверительная вероятность будет равна
Р“ = 2 Ф*(( t /2с ) - 1,
а для случайной величины х* она будет равна
Р‘ = 2Ф*(г/2<г/п ) - I
Функция Ф*(у) - это известный интеграл вероятностей (функция
Лапласа) 2
ф*(у)= (1/V 2л) Je-/2d^
о
Она является монотонно возрастающей функцией своего аргу-
мента. Практически во всех учебниках и справочниках по теории
вероятностей и математической статистике приведены таблицы для
ее вычисления.
Очевидно, что Р* > Р . Пусть е = 0,5g. Используя указанные
таблицы (л. 22), получим, что при n = 1 доверительная вероятность
Р= 0,3, при п-9 Р — 0,81, а при п =25 Р = 0,985.
При заданном уровне надежности испытаний доверительный
Интервал обратно пропорционален и.
В рассматриваемом примере при доверительной вевсроятности
Р= 0,95 единичное измерение (n= 1) позволяет получить доверитель-
ный интервал размером 2е = 3,92.
-220-
я
Рис. 64. Зависимость £ от п
При п = 9 доверительный интервал
составит 1,3. При п = 25 2е=0,79.
Мы предположили, что z- случайная
величина, распределенная нормально. Но
и при других законах распределения z
закономерность, отображаемая графиком
па рис. 64, сохраняется.
Приведенный пример дополняет пре-
дыдущий пример с планом взвешивания
трех образцов и позволяет прояснить
вопрос о планировании испытаний в час-,
ти определения числа повторных измерений исходя из требований к
точности и надежности результатов. Заметим, что добиться повышения
их уровня можно не только за счет увеличения числа испытании, но и
за счет применения более совершенной измерительной аппаратуры ?
позволяющей уменьшить среднеквадратическую ошибку измерений б.
Црогда дешевле и проще повторить испытание, используя не самые
высокоточны? приборы it способы измерений, в других случаях, когда
повторение испытаний связано со значительными затратами, а
требования к точности и надежности опытной информации высоки,
без применения качественной аппаратуры не обойтись.
Еще один аспект в планировании испытаний —это решение вопроса
о том, как следует варьировать внутренние параметры ТО, если экс-
периментально исрледустся их влияние на его выходные показатели.
Представление о существе этой задачи может дать следующий
пример. Пусть требуется экспериментально установить зависимость
некоторого показателя качества ТО q (например, производительнос-
ти вибросита) от его внутренних параметров pf, р2 р (амплитуды,
частоты и направления вибрации сетки вибросита).
Если этим задача испытаний ограничивается, используются
принципы их планирования как интерполяционных, если же в
результате испытаний нужно определить оптимальные значения
указанных внутренних параметров, при которых q максимально
(или минимально), испытания должны проводится как экстре-
мальные.
При интерполяционных испытаниях стратегия их проведения
гакова.
Вначале предполагается, что в той области, в которой имеет смысл
варьировать параметры р( , зависимость q от pt близка к линейной,
то есть
q=K0 + K| р, + к,р2± к3р3.
-221 -
Тогда задача испытании должна состоять в определении коэффи-
циентов к (i~0,3) - коэффициентов регрессии.
Делается это следующим образом. Проводится серия из m = 4
испытаний по определению q для пзразличных наборов значений pt.
В силу предполагаемой линейности q(p) достаточно определить зна-
чения q для двух значений р], соответствующих границам разумного
диапазона варьирования! этого параметра. Максимальное значение
р кодируется как +1, минимальное - как -1. Далее по результатам
испытаний составляется система m уравнений, в которых неизвест-
ными являются коэффициенты регрессии. Для компактности записи
представим исходное уравнение регрессии в виде
q - X (к. pt) ,
гдерс = 1.
В табл. 6 г/,б представлены два плана испытаний.
Первый план - план однофакторного эксперимента (поскольку
в каждом опыте варьируется только один параметр) позволяет по
четырем испытаниям определить искомые коэффициенты с помощью
формулы:
к г 0,5Е(р^ qp
При этом дисперсия к определится как
б2(к)= 62(q)/2.
J Pi 4j
Ро Pl Рз Рз
1 + 1 1 -1 -1 41
2 + 1 +1 -1 -1 Ч2
3 + 1 -1 +1 -1 4з
4 + 1 -1 -1 41 Ч4
Таблица 6а Таблица 66
J Pi 4j
Ро Pi Р? Рз
I + 1 1 -1 + 1 Mi
2 + 1 + 1 -1 -1 q2
3 +1 -1 +1 -1 4з
4 + 1 +1 +1 +1 44
Табл, б о,б
(однофакторный - а и многофакторный — б планы)
-222-
Второй план - план многофакторного эксперимента (в каждом
следующем опыте варьируется несколько, в данном случае два, па-
раметров) позволяет определить коэффициенты регрессии также по
результатам четырех испытаний, используя формулы
к=0,5(£р q / 8
62(K)-6z(q)8
Очевидно, что второй план испытаний более эффективен, и это
- еще одно свидетельство в пользу многофакторных планов испыта-
ний. Дисперсия б’ тем не менее может
быть таковой, что предположение о
линейности зависимости q(p} придется
признать недостаточно обоснованным.
То1да переходят к экспериментальному
исследованию нелинейной модели q(p).
Аналогично обстоит дело при проведе-
нии экстремального эксперимента.
В частности, когда задача испыта-
ния -определить оптимальное значение
<7, зависящее от р так, как показано на
рис. 65, то в предположении, что эту зависимость приближенно можно
описать параболой
q=K„ +Z к р, + Z ки р. Pj +ЕкР/
проводят полный факторный эксперимент (ПФЭ), в котором
общее число испытаний
N= m г11
(п - число варьируемых параметров, г > 3 - число уровней ва-
рьирования, т — количество повторных измерений на каждом уров-
не). Как правило, это число намного превышает число подлежащих
определению коэффициентов регрессии, и в теории планировании
эксперимента разработаны методики (композиционные планы, дроб-
ные факторные эксперименты, планы типа квадрата Юдена, планы,
реализующие метод крутого восхождения и другие), позволяющие
уменьшить число испытаний без заметной потери точности. Для
определения коэффициентов к в приведенном выше уравнении при
N> п используют метод наименьших квадратов.
Рассмотренные аспекты планирования испытаний, конечно же,
ые исчерпывают все эту проблему. Конкретные задачи, связанные с
разработкой плана и методики испытаний определяются ух видом,
-223-
целями, спецификой ТО, имеющимися в распоряжении испытателя
ресурсами.
Но есть и ряд общих вопросов, важных при проведении многих
видов испытаний. К таким вопросам относится, в частности, рандо-
мизация.
Существо этой весьма важной в планировании испытаний про-
цедуры поясним следующими примерами. Когда перед биологом
возникает задача опытной проверки эффективности разработанного
им лекарственного препарата, он отбирает некоторое количество
морских свинок, скажем, 40 штук и разделяет их на две группы:
экспериментальную и контрольную, Животные экспериментальной
Группы подвергаются воздействию лекарства, а контрольная группа
живет обычной жизнью. Возникает вопрос: как формировать экспе-
риментальную группу евццок?
Сознательно или подсознательно, но исследователь включает
в эту группу более сильных или здоровых зверьков, если хочет до-
казать высокую эффективность лекарства, дли более слабых, если
он стремиться доказать обратное. И таким образом в эксперимент
вносится искажающий представления о реальной силе препарата
субъективный фактор.
Аналогичная ситуация зачастую возникает и при проведении
различного рода контрольных испытаний в промышленности. Завод
изготавливает штанги для погружных штанговых насосов - большие
партии. Отбирают две-три выборки и проводят испытания с целью
оценки соответствия штанг техническим условиям. На первый взгляд
все равно, когда отбирались штанги для проверки — утром, ближе к
обеду или вечером. Однако это не так: партии штанг, отобранные
утром и вечером, могут быть неодинаковыми по целому ряду причин:
рабочим свойственно к концу рабочего дня уставать, и это отражается
да их деятельности, режимы работы технологического оборудования
в течение дня не остаются постоянными и проч.
Как же учесть указанные обстоятельства при планировании
испытаний. Оказывается, что надо следовать известной теореме, со-
гласно которой оптимальная с точки зрения исключения подобного
рода субъективных факторов стратегия состоит в том, чтобы испыту-
емые выборки формировались случайным образом (по специальным
таблицам случайных чисел или с помощью имеющихся в типовом
программном обеспечении современных компьютеров генераторов
случайных чисел). Реализация этой стратегии и составляет сущес-
тво рандомизации (от английского слова random - беспорядочный,
случайный).
-224-
Обсудив вопросы о существе задачи планирования испытаний,
мы, имея в виду наше стремление использовать в решении этой задачи
компьютерные технологии, должны далее выявить тот круг процедур
и операций, которое можно формализовать. Сделаем мы это в § 2,3.4,
поскольку имеющиеся в настоящее время программные средства
являются, как правило, общими для задач планирования испытаний
и обработки их резудьтатрв.
-225-
§ 2.33 Измерения
Основной способ получения опытной информации о парамет-
рах, характеристиках или свойствах ТО - это их измерение. Может
показаться, что применительно к свойствам ТО термин измерение
не очень подходит, и что здесь точнее слово оценивание, однако на
самом деле все зависит от используемой шкалы. Как правило, когда
говорят об измерениях, подразумевают получение количественных
значений по шкале отношений (каковой, например, является при-
вычная нам метрическая шкала). Но существуют и другие шкалы,
в частности, шкала порядка (больше-меньше, быстрее-медленнее,
выше-ниже и т.д.), интервальная шкала (температурные шкалы Цель-
Свд, Фаренгейта), шкала наименований (деревянный, металлический
пластмассовый).
Любо? действие, связанное с соотнесением некоторого объекта
с выбранной шкалой, может быть определено как измерение.
Инженер-испытатель доджен, очевидно, хорошо знать и уметь
использовать современные технику и технологию измерений.
Условия и ситуации в которых инженеру приходится проводить
измерения достаточно' разнообразны и поэтому выбор наиболее эф-
фективного с точки зрения качества получаемой информации и ее
стоимости для этих условий способа измерений - непростая, а точнее
говоря, неформальная задача.
Приведем пример. Предположим, что поставлена задача сравне-
ния натяжения неподвижного и ходового кондов талевого каната при
подъеме и спуске бурильной колонны.
На рис. 66 с целью пояснения существа задачи представлена рас-
четная схема полиспастного механизма спуско-подъемною комплекса
буровой установки.
В чем состоит специфика этой
задачи? Казалось бы, все просто: накле-
им два тензорезистора (тензодатчика)
вдоль оси соответственно ходовой и
не подвижной ветви каната (на рис. 66
обозначены «X» и «//»), соединим их с
входами многоканального тензоусили-
теля, а электрический сигнал с выходов
усилителя подадим на самописец или
магнитофон.
Естественно, что предварительно
будет осуществлена тарировка нашей
Рис. 66. Буровой полиспаст.
-226-
измерительной системы, что позволит по амплитуде записанного сигнала
определять усилие в канате. Однако таким путем мы сможем зафикси-
ровать изменение нагрузки в канате только на ограниченном участке
подъема (или сдуска), соответствующем интервалу перемещения тензо-
датчика, закрепленного на ходовой ветви, от первого шкива кронблока до
барабана лебедки. То есть дри кратности полиспаста, равной т, и длине
свечи в бурильной колонне, равной h, мы сможем произвести измерения
изменения нагрузки в ходовой ветви каната только на участке подъема
крюка на высоту h/m, Далее измерения будут невозможны, поскольку
датчик начнет наматываться на бар^бдн лебедки.
Итак, мы столкнулись с проблемной ситуацией. Ее разрешение
возможно различными способами. Например, с помощью устройства,
закрепляемого на кронблоке и работающего аналогичного нажимному
ролику (рис. 67), Усилие, пропорциональное натяжению каната, пере-
дается через ролик, ширина которого выбирается с учетом девиации
каната при его наматывании на барабан лебедки, на пружину или
шток поршня гидро- или пневмоцилиндра, Датчик можно установить
на пружине (тензорезистор) или в корпусе цилиндра, выпрднив его в
виде штуцера с мембраной, на которой наклеен тензорезистор.
Очевидно, что это не единственный способ измерения натяжения
ходовой ветви талевого каната. Тензо- или пьезодатчик может быть
установлен на станине лебедки, которая в связи с возникающими
напряжениями, вызванными действием усилия в талевом канате,
подвергается деформациям.
рое. 67. Измерение натяжения
в ходовой вет&и.
Еще одна типичная задача - из-
мерение крутящего момента, пере-
даваемого через ротор на бурильную
колонну. Для ее решения можно так-
же использовать различные схемы.
Если, например, ориентироваться
на тензометрическую аппаратуру,
то возможны варианты установки
тензодатчиков на приводном валу
ротора, непосредственно на веду-
щей трубе («квадрате») или валу
вертлюга. При этом подсоединять
наклеенные тензорезисторы, явля-
ющиеся, как правило, элементами
электрического «моста», по вели-
чине усиленного тензоусилителем
напряжения рассогласования кото-
-227-
рого и определяют измеряемый момент, нужно через специальный
«токосъем».
Думается, что приведенных примеров достаточно, чтобы про-
иллюстрировать неоднозначность и нестандартность решений, свя-
занных с осуществлением измерения тех или иных параметров или
характеристик ТО,
Мы неоднократно подчеркивали коллективистский характер ин-
женерной деятельности. Очевидно и в данном случае при решении по-
добных задач, и вообще в проведении испытаний участие принимают
не только те инженеры, которым в связи с выполняемой ими работой
необходима информация, ради получения которой осуществляются
испытания, но и специалисты в области информационно-измеритель-
ной техники, математической статистики и планирования экспери-
ментов и другие. Именно их совместными усилиями обеспечивается
нахождение решения неформальных задач, возникающих в процессе
разработки программ и методик испытаний-
Современная измерительная аппаратура в значительной мере
компьютеризирована. Благодаря этому автоматизируются многие
процедуры, связанные с первичной обработкой экспериментальных
данных. Применяемые в приборах компьютеры относятся, как пра-
вило, к категории специализированных.
В качестве примера компыотеризированого измерительного ком-
плекса можно указать на хромотограф - прибор, с помощью которого
определяют состав сложных смесей газов. Существует ряд разно-
видностей хроматографического метода исследования. Для анализа
смесей, содержащих низкокипящие газы (Н, СО, СП), применяется
газоадсорбционный метод, который состоит в том, что исследуемая
смесь перемещается через длинную трубку, заполненную сорбентом
(в данном случае твердой пористой шихтой), осуществляющим за
счет селективного замедления отдельных компонентов ес химическое
разделение. Эти отдельные компоненты выходящие из зоны, запол-
ненной сорбентом, неодновременно поступают в спектрометр.
Рис. 68. Хроматограмма.
Спектрограмма (хромотограм-
ма), отображающая их выход и
имеющая вид, показанный на
рис. 68, оцифровывается с помощью
аналого-цифрового преобразовате-
ля и обрабатывается встроенным
компьютером, который по соот-
ветствующей программе вначале
и д енти фициру ет соответствующий
-228-
каждому нию/' хромо го граммы тип rasa, а затем вычисляет общую пло-
щадь спектрограммы (па рис. заштрихована), площадь под отдельным
пиком, cooi ветствуюшим определенной компоненте и отношение этих
площадей. Данное отношение характеризует объемную копцентращ но
газа, входящего в смесь.
В диагностике машин и оборудования, измерительные процедуры
в которой являются одним из основных этапов работ, в настоящее
время широко используются приборные комплексы, выполненные
по схеме, которая представлена парне. 69.
Рис. 69 Компьютерный приборный комплекс.
Примером измерительного комплекса подобного типа является
разработанная в РГУ им. Губкина система диагностики насосных
установок станков-качалок на основании их динамометрирования
СДНУ-ЗМ (рис. 70).
Система включает первичные датчики (ПД), измерительно-
регпетрирующий прибор (ИРП), персональный компьютер (ПК) и
блок коммутации (БК) и используется следующим образом (л. 45.).
Оператор, получивший в свое распоряжение переносной блок.прибор-
ного комплекса, имеющий автономное питания, о целью диагностики
состояния станков-качалок, отправляется на соответствующий куст
скважин. Устанавливает поочередно на каждый из подлежащих об-
следованию станков датчики (ПД). сигнал от которых поступает па
многоканальный усилитель ИРП н далее с помощью встроенного в
ИРП преобразователя оцифровывается и запоминается.
Первичные датчики, конструктивное исполнение которых может
- 229-
быть различно, имеющие в
качестве чувствительного эле-
мента тензометр, размещаются
на верхней полке балансира
станка-качалки (СК). Их можно
устанавливать также в траверсе
канатной подвески, под опорой
пирамиды. СК или в любом
другом подходящем месте.
Разъем кабедя, с помощью
которого ПД связаны с ИРП,
имеет перемычки, являющи-
еся кодом каждой конкретной
скважины, и исключающие
возможность перепутать пока-
зания от разных скважин.
После завершения пер-и
вой части работы оператор
возвращается на базу (в ком- рис jq Компьютерный приборный
пьютерный центр и т.п.), где комплекс.
осуществляется пересылка
содержащейся в блоке памяти СДНУ информации в персональный
компьютер, программное обеспечение которого позволяет провести
ее подробный диагностический анализ и сделать соответствующие
выходы по каждому из обследованных станков-качалок.
Широкие возможности для оперативного анализа измерительной
информации открываются в связи с внедрением на производственных
предприятиях вычислительных (компьютерных сетей).
-230-
§ 2.3,4 Автоматизированная обработка результатов испытаний
Выше, касаясь вопросов планирования испытаний, мы обсуж-
дали, от чего зависит уровень достоверности получаемой! опытным
путем информации о ТО, В частности, речь шла о доверительной
вероятности и доверительных интервалах, дисперсии результатов ,
связи этих характеристик с числом повторных измерений и проч.
При определенных предположениях относительно характера
распределения ожидаемых результатов испытаний, можно, задаваясь
уровнями точности и надежности, рассчитывать значение необходи-
мого числа испытаний (повторных измерений), осуществлять ран-
домизацию и выполнять другие расчетные процедуры, связанные с
планированием испытаний.
Проведя испытания, инженер получает данные, которые нужно
обработать, прежде чем анализировать их на предмет формулирования
выводов, ради которых, испытания состоялись.
Например, он должен по результатам повторных измерений
вычислить средние выборочные значения исследуемых параметров
или характеристик и средние квадратические отклонения, проверить,
противоречат ли экспериментальные: данные тем предположениям от-
носительно закона их распределения, которые были положены в основу
разработки плана, программы и методики испытаний. Как правило, име-
ется необходимость представления результатов испытаний в различной
форме: например, в форме таблиц, гистограмм, графиков, формул.
Оказывается, что вычислительные процедуры, осуществляемые
С этой целью в соответствии с применяемыми методами теории
вероятностей и математической статистики, достаточно универ-
сальны в том смысле, что лишь в малой степени они зависят от вида
испытаний, испытуемого и измерительного оборудования.
В настоящее время инженеру предоставляется широкий выбор
программных компьютерных пакетов, которые позволяют автомати-
зировать этот вид деятельности.
Прежде всего назовем такие наиболее широко использующиеся в
нашей стране пакеты, как отечественные - STADIA (универсальный
статистический пакет) и ЭВРИСТА (специализированный пакет для
анализа временных рядов и регрессионного анализа), а также зару-
бежный пакет (фирма STSC - США) STATGRAPHICS.
Пакеты STADIA и STATGRAPHICS позволяют выполнить прак-
тически все необходимые при анализе результатов испытаний ста-
тистические процедуры. Общее представление об этих возможностях
дают представленные на рис. 71 и 72 меню блока статистики системы
STADIA и головное меню пакета STATGRAPHICS.
-231 -
СТАТИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
11АРЛМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕСТЫ ДИСПЕРСИОННЫЙ АНАЛИЗ
1 = Описательная статистика F = 1- факторный анализ
2 = Гистограммы и нормальность G = 2- факторный параметрический
3 = Корреляция Н = 1-факторный непараметрический
4 = Тесты Стьюдента и Фишера 1 = 2- факторный непараметрический
НЕПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕСТЫ РЕГРЕССИОННЫЙ АНАЛИЗ
5 = Хи-квадрат J = Сравнение двух регрессий
6 = Сдвига (положения) К= Простая регрессия (тренд)
7 - Масштаба L = Множественная линейная регрессия
8 = Произвольных альтернатив М = Пошаговая регрессия
9 = Корреляция (независимость) N = Общая (+ нелинейная) регрессия
МНОГОМЕРНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗ ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ
А - Кросстабуляция О = Дискриминантный анализ
В = Корреляционный анализ Р = Кластерный анализ
С = Спектральный анализ Q = Факторный анализ
D = Сглаживание и фильтрация R = Шкалирование
Е = ARIMA-модели S = Меню
ДОПОЛНЕНИЯ
Рис. 71. Система STADIA. Меню блока статистики.
-232-
ST A TGRAPIIICS (Statistical Graphics Sistem)
DATA MANAGEMENT AND SYSTEM UTILITIES TIM 1 SERIFS PROCEDURES
A. Data Management B. System Environment C Report Writer and Graphics Replay D. Graphics Attributes L. Forecasting M. Quality Control N. Smoothing 0. Time Series Analysis
PLOTTING AND DESCRIPTIVE STATISTICS ADVANCED PROCEDURES
E. Plotting Functions F, Descriptive Methods G. Estimation and Testing H. Distribution Functions I. Exploratory Data Analysis P. Categorical Data Analysis Q, Multivariate Methods R. Nonparametric Methods S. Sampling T. Experimental Design
ANOVA AND REGRESION .ANALYSIS MATEM ATICAL AND USER PROCEDURES
J Analysis of Variance K. Regre U, Mathematical Functions
Рас 72. Пакет STATGRAPHICS. Головное меню.
Подробное описание указанных пакетов можно найти в (л. 98).
Там же приводятся справочные сведения о существе процедур статис-
тического анализа, указанных в представленных выше меню.
Оба пакета обеспечивают хранение экспериментальной инфор-
мации в специальных форматах в собственных базах данных. Ввод и
редактирование этих данных осуществляется с помощью встроенных
редакторов данных.
Возможность вычислять основные статистики по тем или иным
экспериментальным данным, производить регрессионный анализ,
статистическое прогнозирование, анализ временных рядов заложены
и в таких программных средств, как электронные таблицы (табличные
процессоры) типа Lotus 1-2-3, Gualtro Pro, Excl.
Однако, как показывает практика, решение даже таких далеко не
самых сложных задач, как проверка статистических гипотез, регрес-
сионный анализ и т.п. с помощью табличных процессоров, сопряжено
с немалым риском грубых ошибок.
-233-
Надежнее использовать статистические возможности табличных
процессоров и баз данных, а экспортировать (транслировать) анализи-
руемые данные из тех исходных файлов, куда они были первоначально
занесены (например, файлов формата DBF) в собственные базы дан-
ных статистических пакетов, рассмотренных выше типов.
Следует сказать также о том, что программное обеспечение ком-
пьютеризированной измерительной аппаратуры, о некоторых образцах
которой шла речь в предыдущем параграфе, во многих случаях позво-
ляет осуществлять в режиме экспресс-анализа первичную статисти-
ческую обработку экспериментальных данных - получать точечные
или интервальные оценки математического ожидания, дисперсии,
устанавливать закон распределения исследуемых параметров и т.д.
-234-
ГЛАВА 2.4.
Эксплуатация машин и оборудования
В деятельности по эксплуатации машин и оборудования можно
выделить два основных аспекта.
Во-первых - это использование ТО по назначению, а во-вторых,
поддержание его в работоспособном состоянии в течение установ-
ленного промежутка времени.
Автомобили эксплуатируют (используют по назначению шо-
феры, а осуществляют техническое обслуживание (обеспечивают
работоспособное состояние) автомеханики. Аналогичным образом
буровые установки эксплуатируются буровыми бригадами во главе с
буровыми мастерами и бурильщиками, а техническое обслуживание
БУ осуществляют механики по буровому оборудованию.
Разумеется, и те и другие тесно взаимодействуют между собой
Нарушения в предписанной технологии деятельности одних сущес-
твенно осложняет деятельность других.
Специалистов, использующих ТО по назначению, будем для крат-
кости называть пользователями или технологами (в зависимости от
контекста). Как правило, от пользователя требуется осознано выполнять
ряд операций, связанных с техническим обслуживанием ТО, например,
контролировать падшие смазки в узлах трения, осуществлять ее периоди-
ческую замену, устанавливать наличие нежелательных люфтов и зазоров
в кинематических парах. Однако по мере усложнения ТО, удельный вес
этих операций в общем объеме обязательных операций по техническому
обслуживанию ТО. становится все меныпим и меньшим.
Если, например, в прежние годы в адресованных пользователям
описаниях бытовой техники (радиоприемников, телевизоров и т.п.), как
правило, наличествовал раздел «Характерные неисправности и методы их
устранения», то в настоящее время в инструкциях по эксплуатации по-
добного рода приборов подчеркивается, что при любых отклонениях в их
работе нужно обращаться в специализированную сервисную службу.
Сегодня и технологи, и те, кто обслуживает и ремонтирует
технологические машины и оборудование, активно применяют ком-
пьютерные системы в своей работе. Назначение этих систем состоит
прежде всего в том, чтобы обеспечивать указанных работников
возможно более полной информацией, позволяющей им принимать
эффективные решения.
Приведем некоторые примеры, иллюстрирующие современные
компьютерные технологии инженерной деятельности в сфере экс-
плуатации ТО.
-235-
§ 2.4.1 Управление технологическими процессами
В достаточно общем виде компьютеризированную деятельность
по управлению технологическим процессом модою отобразить сле-
дующей схемой.
Представленная схема отоб-
ражает, что управляющие воз-
действия на технологическое
оборудование могут осущест-
вляться человеком как через
компьютер (системы АСУ ТП,
станки Р ЧПУ и т.п.), так и не-
посредственно (то есть иным
способом, в том числе через
обслуживающий персонал) на
основе анализа информаций Q
Рис. 73. Обобщенная схема компьютери-
зированного управления технологическим
процессом
состоянии (как текущем, так и в динамике) обрабатываемой среды
и оборудования, поступающей по трем каналам - через компьютер,
непосредственно и от других людей.
Действительно. Некоторые модели современных автомобилей,
как известно, оборудованы бортовыми компьютерами. Какова цель
их установки? Очевидно, она может состоять в том, чтобы
а) обеспечить более эффективное управление автомобилем, в час-
тности, исключить нерациональное расходование топлива, поддержи-
вать оптимальный режим работы двигателя, и тем самым продлить его
срок службы и сделать более экономичной эксплуатацию машины,
б) создать более комфортные условия вождения,
в) повысить безопасность езды на автомобиле.
За счет чего это достигается?
Через существенно более развитую, чем в обычном автомобиле
сеть датчиков и соответствующих преобразователей, по каналам свя-
зи в бортовой компьютер проступает информация о режиме работы
различных систем автомобиля, о дорожной ситуации, географических
координатах автомобиля. Эта информация обрабатывается компью-
тером и в преобразованном виде отображается на экране бортового
дисплея. Водитель может принять или не принять (полагаясь на при-
вычный способ принятия решений) ее во внимание, но подавляющее
большинство владельцев компьютеризированных автомобилей счита-
ют эту информацию весьма важной. Компьютер может вырабатывать
управляющие команды и в автоматическом режиме в соответствии
с имеющейся в его памяти программой (системы климат-контроль.
-236-
круиз-контроля). Например, он может регулировать количество рабо-
тающих цилин 1ров двигателя и обеспечивать развитие двигателем той
мощности, которая необходима в каждой конкретной ситуации.
Подобного рода бортовыми компьютерами оснащены современ-
ные буровые установки.
В качестве примера приведем широко известные специалистам
цифровые микропроцессорные системы управления электропривода-
ми буровых установок типа Power Drill 2000 фирмы General Elektric,
которые имеют встроенные диагностические программы, сигнали-
зирующие о неисправностях в работе привода непосредственно на
пульт бурильщика.
Другой пример - автономные компьютерные станции геолого-
технологического контроля типа СГТ-7 производства специального
конструкторского бюро «Ореол» (бывшее СКБ «Гсофизприбор»).
Станции этого типа, смонтированные в отдельном фургоне на авто-
мобильном прицепе и подключаемые к датчикам, установленным на
технологическом оборудовании, позволяют мастеру буровой установ-
ки одновременно контролировать до 34 параметров, характеризующих
условия и режим бурения скважины. Аппаратура сбора, обработки и
отображения информации включает компьютер, загрузчик с энерго-
независимым запоминающим устройством, многоканальные преоб-
разователи и усилители, контроллеры, алфавитно-цифровой дисплей,
цветной графический монитор, устройства печати.
Станция обеспечивает автоматический сбор, запоминание, об-
работку. накопление и представление на отображающих устройствах
геолого-технологичекой информации в аналоговом, цифровом и таб-
личном виде, а также включение световой и звуковой сигнализации
при выходе того или иного контролируемого параметра за регла-
ментируемые пределы. Кроме того, она позволяет диагностировать
осложнения при бурении на ранней стадии, а также прсдаварииных
и аварийных ситуаций, выявлять водогазонефтспроявления, получать
прогнозные оценки коллекторских свойств вскрываемых горных
пород, осуществляет контроль работы бурового инструмента по вцб-
роакустическому каналу; При этом станция работает с оператором в
интерактивном режиме.
Повторим еще раз, что специалисты, осуществляющие управле-
ние технологическим процессом и в этом смысле эксплуатирующие
тот или иной ТО, — это не обязательно, и как правило, не инженеры-
механики. Это инженеры-буровики, разработчики, химики-технологи,
геофизики, текстильщики, полиграфисты, энергетики и т.п.
Инженеры-механики эксплуатирующие технологическое обо-
-237-
рудование, это, в частности, инженеры-технологи, работающие на
различных инженерных должностях в цехах машиностроительных
заводов, то есть работающие в сфере изготовления машин и обору-
дования, а также инженеры, занятые монтажом технологического
оборудования там. где оно должно использоваться.
Итак, мы проиллюстрировали, что современное технологическое
оборудование, как правило, содержит в своем составе (в подсистемах
или контурах управления) встроенные микропроцессоры, компью-
теры или даже компьютерную сеть, обеспечивающие реализацию
технологического процесса эффективным образом. Ряд операций и
процедур по контролю и управлению этим процессом осуществля-
ются в автоматическом режиме (компьютер «сам» в соответствии
с заложенными в него программами управляет исполнительными
механизмами системы управления) или в автоматизированном, когда
некоторые управляющие процедуры не могут быть полностью форма-
лизованы и их выполнение возлагается на оператора, получающего от
компьютера соответствующим образом обработанную и оформленную
информацию.
Далее рассмотрим инженерную деятельность в сфере техничес-
кого обслуживания машин и оборудования.
-238-
§ 2.4,2 Техническая диагностика машин и оборудования
Диагностика, иначе говоря, определение (распознавание) в усло-
виях ограниченной информации состояния, в котором находится ТО
или отдельные его составляющие, может быть отнесена к одному
из основных видов инженерной деятельности, связанной с эксплуа-
тацией машин и оборудования.
Неполнота информации об объекте делает задачу технической
диагностики неформальной.
В романе знаменитого финского писателя Марти Ларни «Чет-
вертый позвонок» имеется следующий эпизод: двое приятелей в силу
обстоятельств пытаются воспользоваться чужим легковым автомоби-
лем, но никак не могут его завести. Все их многочисленные попытки,
основанные на традиционных приемах, оканчиваются неудачей, Один
из двоих, отчаявшись добиться результата, догадался-таки заглянуть
под капот, после чего радостно воскликнул: «О, теперь я, наконец,
знаю, в чем дефект! Машина —без мотора!»
Подобное определение состояния объекта не есть диагностика,
ибо в данном случае «диагноз» был поставлен после получения
исчерпывающей информации о состоянии автомобиля. Точно также
не является диагностикой знаменитое умозаключение богомола по
поводу7 состояния Буратино - героя одноименной сказки: «пациент
или жив или мертв», ибо это справедливое утверждение не изменяет
неопределенности знания участников эпизода о действительном
положении дел.
Техническую диагностику иногда называют «безразборной»
диагностикой (л. 17), то есть диагностикой, осуществляемой без
разборки изделия, в условиях его эксплуатации, когда возможности
получения желаемой информации существенно ограничены. Говоря
о диагностике состояния ТО, подразумевают распознавание этого
состояния не только в статике, но и в динамике, то есть в контексте
его изменения во времени.
Как процесс деятельности, техническая диагностика включает
весь процесс визуального и аппаратурного исследования ТО и отде-
льных его элементов, логического анализа получаемой информации
на предмет установления факта и причины той или иной неисправ-
ности, локализацию этой неисправности и выработку рекомендации
по ее устранению и профилактике ТО в ходе его использования по
назначению и технического обслуживания.
Как и всякая инженерная деятельность, техническая диагностика
имеет цель. Эта цель — предотвратить преждевременный, в том
-239-
числе аварийный выход изделия из строя, сохранить в течение
заданного или возможно большего периода времени его работос-
пособность, снизить затраты на ремонтно-восстановительные
работы и сроки этих работ и, в конечном счете, повысить эффек-
тивность его использования но назначению.
Работа специалиста по технической диагностике во многом
аналогична работе врача-терапевта, которую каждый из нас имел
возможность в качестве пациента наблюдать с детства. Как действует
участковый врач-терапевт, вызванный да дом? Имея, зачастую, ми-
нимум информации о недомогании, ставшем причиной его вызова
К. пациенту (симптомы, записанные в книге вызовов: повышенная
температура, кашель, головная боль и т.п.), он проводит стандартное
обследование его (внешний осмотр, прослушивание с помощью сте-
тоскопа, уточнение со слов пациента его болезненных ощущений и об-
щего состояния здоровья и проч.) и принимает решение, в частности,
может констатировать отсутствие оснований для признания пациента
больным, может признать его больным и назначить в предваритель-
ном порядке курс лечения, может счесть необходимым проведение
дополнительного и более обстоятельного обследования.
По сути, в такой же ситуации оказывается и инженер-механик,
которому по долгу службы приходится в оперативном режиме, по
ограниченному набору данных устанавливать, в каком состоянии
находится вверенная ему техника и принимать соответствующие ре-
шения. Выявляющаяся при сопоставлении технической диагностики
и врачебного диагностирования аналогия, в принципе очевидная,
позволяет соотнести в целом организацию диагностической и ле-
чебной деятельности в здравоохранении и организацию технического
обслуживания сложны?: машин и оборудования. Врач-специалист с
высшим медицинским образованием устанавливает диагноз, опре-
деляет что и как надо лечить, и далее передает пациента «в руки»
своей команды, реализующей предписания врача (касательно уколов,
различных процедур и т.п.), оставляя за собой контролирование и
корректирование этого процесса. Члены данной команды - медсес-
тры, санитары, фельдшеры - как правило, специалисты со средним
специальным образованием.
То, как поставлены в медицине профилактика и диагностика
заболеваний людей, может по-видимому, рассматриваться в качестве
оптимальной opj анизационной схемы и для инженерной диагности-
ческой деятельности, ибо эта схема вырабатывалась веками, вбирает в
себя опыт всего человечества и относится к сфере, где ответственность
за принимаемое решение наиболее высока.
-240-
Чтобы успешно заниматься технической диагностикой, разуме-
ется, нужно хорошо знать предметную область, то сеть «анатомию»
обслуживаемого оборудования, устройство отдельных агрегатов и
узлов, особенности технологии их изготовления, сборки, физику из-
нашивания и других процессов накопления повреждений, парамет ры
и характеристики рабочих процессов, протекающих при функцио-
нировании ТО. Но в диагностике имеются и общие, не связанные
впрямую с конкретной предметной областью подходы и методические
принципы, знание которых существенно помогает в принятии пра-
вильных решений. Эти подходы и принципы базируются на таких
фундаментальных научных дисциплинах, кал теория распознавания и
идентификации, теория информации, теория статистических выводов.,
теория надежности.
Типовые задачи, решаемые в технической диагностике, и под-
робно рассматриваемые в соответствующих курсах, иллюстрирует
следующая схема (рис. 74).
Рис. 74. Задачи диагностики
Диагностические модели отображают взаимосвязь тех состояний
ТО, которые должны диагностироваться, и тех параметров, харак-
теристик, свойств ТО, (иначе говоря диагностических признаков,
симптомов, диагностических параметров), на информации о которых
основывается принимаемое диагностическое решение. В связи с этим
следует подчеркнуть два важных обстоятельства.
Во-первых, чтобы построить диагностическую модель, нужно
вначале выявить, какие из всего комплекса доступных наблюдению
(регистрация, измерение, качественная оценка) параметров, харак-
теристик, свойств (а их множество, весьма велико, строго говоря
-241 -
бесконечно) являются с одной стороны, наиболее информативными в
отношении состояния ТО, а с другой стороны, не требующими непо-
мерных затрат для их определения. Во-вторых, как правило, одним и
тем же значениям диагностических параметров могут с определенной
вероятностью соответствовать различные состояния объекта (темпе-
ратура 37,5 сС наблюдается при десятках различных заболеваниях).
Другими словами, взаимосвязи состояний ТО и диагностических
параметров не являются взаимнооднозначными, а, как правило,
относятся к классу вероятностных связей, и их установление может
превратиться в очень серьезную проблему в силу принципиальной
невозможности набрать необходимую статистику
Поясним это следующим образом.
Одним из употребительных подходов в диагностике является
подход, основанный на методе Байеса. Суть метода состоит в том, что
есди можно классифицировать различные состояния ТО и обозначить
каждое через D где / = 1,2,.. ,п, и если можно контролировать
значения т независимых параметров к где j = 1.2..„т„ которым
соответствуют условные вероятности Р (D г / к t к , .'к , (то
есть вероятности пребывания ТО в состоянии D . тогда, когда кон-
тролируемые диагностические параметры приняли значения к . =
к j + А), то эти вероятности могут быть определены по следующим
формулам
Р(. /к .к, к = P(D.
4 ] 12 m) ' i)
P(k /D P(k /D P(k ZD
' 1 i) ' 2 i) v m t;
XP(D ,P(k,/D 4P(k,/D .P(k /D )
v qj v 1 q^ ' 2 q) k pi qz
Физический смысл входящих в правую часть этих формул веро-
ятностей таков.
Р (D ) - это безусловная вероятность i-того состояния ТО,
которая предполагается известной к моменту проведения диагнос-
тического обследования ТО, (LP(D:I =1)
Р(к /D) - это вероятность того, чтоу-тый диагностический па-
раметр при i-том состоянии ТО примет значение в интервале Л + А,
также предполагаемая заранее известной (то есть также априорная
вероятность).
Выражение, стоящее в знаменателе приведенной формулы - не
что иное как P(kt,k?. ... кт\ то есть априорная вероятность принятия
параметрами А. значений /<, +д в одном наблюдении вне зависимости
от того, в каком состоянии находится ТО.
После производства вычислений по приведенным формулам
-242-
можно ранжировать состояния D по степени их вероятности P(D/ к =
к 4- А), и затем принять решение относительно того, какое состояние
считать имеющим место,
Понятно, что для объектов, производимых и эксплуатируемых в
массовом порядке (вертлюги, роторы ,буровые насосы и т.п,), можно
собрать статистику, необходимую для получения оценочных значений
указанных априорных вероятностей. А что делать, если речь идет
о диагностике производимых в ограниченном числе и уникальных
изделий, например, комплексов подводно-устьевого оборудования
Поиск 1 и 2 для морских полупогружных буровых установок типа
«Шельф», которых за два десятка лет всего было изготовлено 8 и
каждый в своей особой модификации?
Как не имея достаточных экспериментальных данных, достаточ-
ного опыта эксплуатации, установить, по каким именно параметрам,
доступным для регистрации, наилучшим образом можно судить о
состоянии объекта, иначе говоря как определить, какие параметры
являются наиболее информативными?
Все это очень непростые вопросы, на которые нельзя получить
ответ на основе формальных подходов, и поэтому задачи технической
диагностики, также как и задачи концептуального проектирования и
конструирования, относятся к числу наиболее сложных, творческих
задач в инженерной деятельности. И в этом контексте, думается,
будет нелишним еще раз подчеркнуть, что успешнее в диагностике
работает тот инженер, кто глубоко понимает физику рабочих процес-
сов, имеющих место в ТО при его функционировании, хорошо знает
его устройство, представляет себе, как могут влиять те или иные
конструктивные параметры ТО на такие показатели его работы, как
производительность, к.п.д., безотказность и долговечность, уровень
вибраций и т.п.
На схеме, представленной на рис. 74, задачи, связанные с установ-
лением состояния ТО, например, факта его неисправности, наличия
дефекта и задачи поиска (локализации) неисправности, разделены.
Это разделение не носит принципиального характера, но в методо-
логическом плане имеет смысл, поскольку в решении этих задач ис-
пользуются, как правило, различные модели и различные алгоритмы
принятия решений. Действительно, диагноз относительно состояния
ТО ставится во многих случаях с использованием принципов ста-
тистического вывода, то есть делается на вероятностной основе. Что
же касается поиска неисправностей, то здесь речь идет о действиях,
которые позволяют за минимальное время и/или с минимальными
-243-
затратами точно определить ту деталь, тот узел. агрегат, модуль, ко-
торый вышел из строя.
Есть и еще одно обстоятельство, побуждающее выделять поиск
неисправностей в самостоятельный комплекс задач технической
диагностики. Дело в том, что объем и содержание этих задач тесным
образом связаны с технологией и организацией ремонта ТО. Если,
например, предусмотрено, что подшипники вала в случае их износа
не ремонтируются, а вал в сборе заменяется на новый, то констатируя
в ходе диагностического обследования машины наличие дефекта в
опорах вала по тому или иному диагностическому признаку (в част-
ности, повышенному шуму), можно считать диагностику законченной,
поскольку нет необходимости детализировать, какая именно опора
вышла из строя, правая! или левая. Если же возможен и предусмотрен
ремонт отдельного подшипника, то работу по локализации установ-
ленного дефекта вала нужно продолжить.
В следующем параграфе мы более подробно поговорим о моделях
и алгоритмах, используемых при поиске неисправностей. Данный
же параграф завершим кратким изложением существа некоторых
широкоупотребительных видов технической диагностики машин и
оборудования.
Существуют различные классификации видов технической диа-
гностики. Как правило, они основаны на классификации тех диагнос-
тических параметров, которые используются для оценки технического
состояния ТО. В частности, различают (л. 63):
структурные (конструктивные) диагностические параметры ТО
(зазоры, натяги, несоосности, неперпендикулярности. шероховатости
и т.п.);
функциональные (внешние, выходные) параметры, характеризу-
ющие рабочие процессы, которые протекают при функционировании
ТО (потребляемая и развиваемая мощность, КПД. удельный расход
топлива, давление и температура жидкости или воздуха в гидро- и
пневмосистемах, состав отработанных газов, продолжительность ра-
бочих циклов и операций (в частности, приемистость—время разгона
вала до номинальных оборотов) и т.п.);
сопутствующие параметры — параметры процессов, сопровож-
дающих работу машины, узла, детали (параметры вибраций, шума,
утечки рабочей жидкости, концентрация продуктов износа в смазке
нтл)-
Основной причиной изменения технического состояния ТО, в
частности, машины, механизма является изменение структурных пара-
метров. Техническое обслуживание (регулировка, ремонт) проводятся
-244-
с целью восстановления значений этих параметров в установленных
пределах. Поскольку измерение структурных параметров без разборки
ТО, как правило, затруднено, го чаще всего диагностику осущест-
вляют по функциональным или сопутствующим параметрам.
К итрокоиспояьзуемым видам диагностики относится вибро-
диагностика и виброакустическая диагностика.
Это связано с тем, что вибрационные процессы и шум сопро-
вождают работу большинства машин ц механизмов п изменение
структурных параметров, в частности, зазоров в кинематических
парах, положения центра масс вращающихся деталей (дисбаланса),
соосности, ведет к изменению характера вибраций и щума. Фиксируя
и анализируя эти изменения, можно устанавливать их причину, то
есть изменения тех или иных структурных параметров ТО, Однако
сложность осуществления диагностики на основе этого подхода
состоит в том, что вибрации и шум обусловлены нагружением и
работой не одной кинематической пары, детали, узла и т.д., а всеми
динамическими нагрузками, всей кинематической цепью машины
или механизма. Установить однозначно износ какого подшипника,
перекос какого вала вызвали изменения характера вибрации и шума
зачастую бывает невозможно.
В связи с этцм значительные усилия специалистов, занимаю-
щихся вибродиагностикой машин и оборудования, направлены на
предварительные обследования новых, исправных образцов ТО,
определение корреляционных зависимостей между спектральными
характеристиками вибраций и зазорами в кинематических парах, не-
соосностью валов, их дисбалансом и т.д. Естественно, что эта работа
связана с проведением специальных исследовательских испытаний и
проводится с использованием компьютерных технологий как в части
планирования этих испытаний, тар ц обработки измерительной
информации.
Получение желаемой информации и выводов при подобных
обследованиях в существенной мере зависят от общей котролепри-
годности машины. Известно, например, что чем ближе установлен
датчик, используемый для измерения вибраций вала газовой турби-
ны перекачивающего агрегата магистрального газопровода, к его
опорному узлу, то есть к подшипнику, тем легче по характеру зафик-
сированных вибраций судить об износе этого подшипника. Однако
конструкция вала турбины, как правило, не дает этой возможности.
Датчики устанавливаю гея далеко от подшипников и задача интер-
претации результатов измерений и диагностики подшппникого узла
существенно усложняется.
-245-
Данный пример еще раз иллюстрирует, что квалифицированный
инженер-проектировщик - это тот, кто кроме всего прочего хорошо
понимает существо работ, выполняемых на стадии эксплуатации про-
ектируемого им ТО и принимает такие проектные решения, которые
позволяют выполнять эту работу как можно более эффективно.
К широко используемым методам диагностики машин и меха-
низмов относятся также методы, связанные с анализом примесей в
смазочных и охлаждающих жидкостях, в частности, картерном масле
двигателей внутреннего сгорания.
В двигателях, трансмиссиях большое число сопряжений работает
в условиях жидкостного и полужидкостного трения. В процессе экс-
плуатации зазоры в этих сопряжениях увеличиваются и возникают
условия, при которых нормальный режим смазки нарушается. Это
ведет к резкому возрастанию интенсивности изнашивания находящих-
ся в подвижном соединении деталей и увеличивается концентрация
продуктов их износа в картерном масле. Эти продукты включают
многие химические элементы, в том числе железо, алюминий, сурьму,
бор, хром, серебро, медь, олово, свинец, кремний. Алюминий харак-
теризует износ алюминиевых поршней двигателя; по концентрации
железа в масде судят об интенсивности изнашивания гиль? цилинд-
ров коленчатых валов, поршневых колец; увеличение концентрации
меди и свинца связано с повышенным износом подшипников качения;
наличие хрома свидетельствует об износе и повреждении гальвани-
ческих покрытий и т.д.
В табл. 8 указаны некоторые дефекты двигателя внутреннего
сгорания, которые могут иметь место при наличии примесей в кар-
терном масле (л. 63).
По сравнению с другими методами диагностики двигателей
анализ проб масла позволяет осуществлять наиболее раннее обнару-
жение неисправностей. Большое значение для получения правильных
выводов из анализа проб масла имеет способ и методика взятия этих
проб. Для того чтобы подчеркнуть, сколь многообразны применяемые
методики диагностики машин, основанной на анализе смазочных и
охлаждающих жидкостей, и тем самым лишний раз акцентировать
значимость фундаментальной подготовки современного инженера-
механика, работающего в эксплуатации ТО, укажем на некоторые
из них.
Это электронная спектроскопия, массовая спектроскопия, ней-
тронный активационный анализ, феррография, спектроскопия Мос-
сбауэра, эмиссионная спектрометрия, использование электронных
сканирующих микроскопов.
-246-
Таблица 8
Элементы в масле и изменения его характеристик Неисправные узлы и детали двигателя Возможные причины и характер дефекта
Железо Гильзы цилиндров, поршневые кольца, зубчатые колеса, газо- распределительный механизм Износ
Алюминий Поршни Задиры, царапи- ны на поверхнос- ти
Медь Подшипники, шатуны, поршне- вые пальцы, распределительный вал, масляный радиатор, трубоп- роводы системы смазки. Износ
Подшипники (вклады- ши из баббита или свинцовой латуни) Износ
Свинец Система зажигания. Неправидьная регулировка или неисправность свечей, исполь- зование бензина с анти-детанаци- онными присад- ками
Хром Хромированные поршневые коль- ца, хромированные вкладыши Износ
Кремний Впускной коллектор Уплотнения Воздушный фильтр Негерметич- ность, повреждения, загрязнение, неисправность
Вода, антифриз Система охлаждения, прокладки Утечки
Нитрация Цилиндро-поршневая группа, газораспределительный механизм Избыточный прорыв газов в картер
-247-
Очевидно, что когда имеется возможность использовать различ-
ные методы диагностики в комплексе, то это - предпочтительная
ситуация, поскольку при ЭТОМ может быть получена более полная
диагностическая информация и тем самым повышена вероятность
правильного вывода о состоянии ТО.
Однако необходимо учитывать, что проведение диагностичес-
кого обследования стоит денег, а иногда и очень больших средств. И
в этой связи целесообразно напомнить о методе последовательного
анализа, предложенного Ваальдом (л. 17). Суть метода, применя-
емого при установлении факта неисправности (дифференциальная
диагностика, или дихотомия), состоит в том, что число и методики
диагностических обследований ТО заранее не регламентируются.
Их проводят в таком количестве w в такой последовательности,
какие необходимы для принятия решения с определенной, заранее
установленной степенью риска.
Поясним сказанное следующим примером.
Пусть при исправном состоянии ТО (обозначим это состояние
через D;) диагностический признак к, (скажем, превышение темпе-
ратуры газа на выходе турбины газотурбинного двигателя на 50° С)
встречается с вероятностью P(Kt /Dt) и отсутствует с вероятностью
Р(к/DJ, а при неисправном состоянии (D2)- соответственно с веро-
ятностями P(k/D^ и P('kj /D).
Если
С = [P(ki/D2)/P(kj/D1)]>A
(где А — достаточно большое число, например, 10), иначе гово-
ря, если в ходе диагностического обследовании ТО обнаруживается
признак к]5 который при неисправном состоянии встречается гораздо
чаще, чем при исправном, то будет вполне естественным сделать вы-
вод в пользу состояния (диагноза) £Х. Точно также, если признак К)
намного чаще встречается у ТО при исправном его состоянии, чем при
неисправном, то есть если С<В (где В - малое число, например 0,1)?
то естественным будет решение в пользу состояния (диагноза) Dr
Если же отношение вероятностей С, называемое по понятным
причинам отношением правдоподобия, окажется в пределах В <С<
А, то для принятия решения о состоянии ТО понадобится дополни-
тельная информация, а именно информация относительно наличия
какого-либо другого признака к2 (например, увеличение времени вы-
вода турбины на номинальную частоту вращения более чем на 5 с.),
чаше встречающегося при одном состоянии, чем при другом.
В соответствии с этим проводится дополнительное обследование
-248-
ТО и вычисляется новое отношение правдоподобия (иди его натураль-
ный логарифм), которое сравнивается с А и В,
Если Cj > А, делают вывод, что ТО неисправен, если С; <В, ре-
шают, что исправен, если вновь В< С <А, проводят еще одно обсле-
дование по третьему признаку (например, превышение концентрации
СО в газе за турбиной), и т.д.
Риск ошибиться в выводах при изложенной схеме диагностики
определяется, очевидно, значениями А и В. Имеются способы количес-
твенной оценки этого риска, в частности, в стоимостных категориях.
Об этом можно узнать из специальных курсов диагностики.
Для сокращения объема и времени обследований, а также соот-
ветствующих затрат вначале следует анализировать наиболее инфор-
мативные признаки.
Коротко ответим на вопрос, как оценить информативность диа-
гностического признака.
Будучи в неопределенности относительно истинного состояния
ТО, мы проводим диагностическое обследование с целью получения
информации, благодаря которой эта неопределенность может быть
уменьшена. И таким образом, степень уменьшения неопределен-
ности наших представлений о состоянии ТО уюжрт явиться мерой
информативности диагностического признака.
Ответ на вопрос как мерить неопределенность состояния системы
дается в теории информации, созданной К.Шеночом и Н.Винером.
Ее мерой в соответствии с этой теорией может служить энтропия
системы. Понятие энтропии является фундаментальным понятием
современной науки. Как статистическая характеристика термодина-
мического состояния систем, определяющая степень неупорядочности
теплового движения отдельных частиц (атомов) системы, она была
введена Гиббсом.
Если система 5 может находиться в и возможных состояниях с
вероятностью Р (S) в каждом и S Р (S) = 1, то энтропия такой системы
определяется как
Н (S) = Z Pty log (Pty) "
i=l
Логику подобного определения степени неопределенности состо-
яния произвольной системы можно проиллюстрировать следующим
образом.
Каждому состоянию Sf можно поставить в соответствие некоторое
число (номер). Пусть это число записано в двоичном коде. И допустим,
что имеется возможность определить это число с помощью серии воп-
росов, на каждый из которых можно получить ответ «да» или «нет».
-249-
Гарантированно задача решается с помощью ш вопросов, в каждом
из которых выясняется, записана ли «1» в соответствующем двоичном
P(Kt/P2) Р(К2/Р2)
‘ "Р(К1/Р1) Р(К1/Р:)
разряде определяемого кода. Таким образом, т - количество разрядов
двоичного кода п может характеризовать степень неопределенности
состояния системы. И действительно,
т = log 2 п ,
и если все состояния системы равновероятны, то Р (S.) = 1/п и,
следовательно,
т - I (l/P(S)log, (1/Р (S)) = H(S).
Так как в реальности состояния не обязательно равновероятны, то
С ромощью т. = log2 (1/P(S)) можно оценивать «неопределенность»
отдельного состояния ('имеется в виду, что если состояния, номера
которых содержат, скажем, «1» в младшем разряде, встречаются чаще
других, то выяснив, что в этом разряде записано в действительности,
мы получаем как будто бы больше информации о всем числе, чем
просто знание цифры одного его разряда). Тогда H(S) есть среднее
значение неопределенности отдельных состояний.
-250-
§ 2.4.3 Поиск дефектов и неисправностей
Проблема поиска неисправностей - одного из характерных ви-
дов инженерной деятельности, выполняемой на стадии эксплуатации
техники, также тесно связана с возможностью контролировать со-
стояние отдельных узлов, механизмов, сопряжений (кинематических
пар) и деталей машин и оборудования в процессе их нормальной
работы. Обеспечение этой возможности - задача, которая долж-
на решаться еще на стадиях проектирования и изготовления ТО.
Известно, что для упрочнения сопрягаемых поверхностей деталей
машин применяют различные покрытия, например, хромирование,
Обрабатывая перед упрочнением исходную поверхность опреде-
ленной детали, например, покрывая ее предварительно пленкой
определенного химического состава, можно получить возможность
фиксировать рзнос основного покрытия именно этой детали в
процессе эксплуатации по появлению в отработанном масле соот-
ветствующих химических элементов. И эту технологию можно в
принципе предусмотреть в проекте.
Вместе с тем очевидно, что сколь бы ни были широки возможнос-
ти «неразрушающего» (то есть не требующего прекращения работы
ТО и его разборки) контроля состояния отдельных элементов ТО, они
всегда будут оставаться ограниченными.
II при разнообразии причин, следствием которых может быть
выявленная в ходе диагностики неисправность (например, утечка
охлаждающей жидкости в автомобильном двигателе может быть обус-
ловлена ослаблением соединительных хомутов, разрывами шлангов,
повреждением основного радиатора или радиатора отопителя сало-
на, прокладки головки блока цилиндров), инженеру-механику для
определения вышедшего из строя элемента, детали и т.п. приходится
проводить серию проверок, специальных тестов, нередко предус-
матривающих разборку отдельных узлов и механизмов машины. Это
бывает связано с выполнением трудоемких операций, может занимать
много времени.
Опытный специалист умеет минимизировать это время, начина-
ющий, прежде чем найти дефект, разбирает полмашины.
Рассмотрим следующую ситуацию, возникающую часто в процес-
се бурения скважин с морских полу погружных установок (ППБУ).
Подобные установки осуществляют в основном геологоразве-
дочное бурение, и устье скважин, буримых ими, располагается на дне
моря. Управление подводно-устьевым оборудованием (превентерами,
задвижками, цанговыми соединителями и т.д.) осуществляется дистан-
-251 -
ционно с поверхности с использованием гидроавтоматки. Принцип
дистанционного управления иллюстрирус г схема [рис. 75) приведения
в действие плашечного превептера.
Слив всех распределительных клапанов 9. а их на гидравличес-
кой насосно-аккумуляторной станции управления ЛУО свыше 30, а
также других гидроаппаратов сведен через трубопроводы различного
диаметра в общий коллектор.
открыто зак[
Управляющая
линия
18
шлангокабель
Уровень моря
1" канал
1 - электроприводные насосы;
2 - резервные пневмоприводные
3/16" канал
насосы;
3 - пневмогидроаккумуляторы
рабочей жидкости;
4 - многоканальные шланги
5 - барабаны многоканальных
шлангов (БМШ);
6 - подводные коллекторы управления
7 челночные клапаны (клапаны «или»); 7
8 - пульт управления;
9 - распределительные клапаны
10 - пульт управления бурильщика;
11 - соленоидные клапаны;
12 - емкость с рабочей жидкостью;
13 - пневмогидроаккумуляторы
управляющей системы;
14 - подводный распределительный
клапан,
15 - регулятор давления,
16 - расходомер;
17 - гидроцилиндр превентора;
18 - шлангокабель
Рис. 75. Система управления ПУО.
Сброс
-252-
Если в каком-либо распределителе имеет место негерметичность
и утечка рабочей жидкости в сливной трубопровод, то общее давление
в системе понижается ниже номинального значения (порядка 20 МПа),
что фиксируется благодаря наличию в системе специального мано-
метра, В подобной ситуации существенно уменьшается вероятность
срабатывания функциональных устройств ПУО, то есть весьма веро-
ятен отказ, чреватый серьезными последствиями (катастрофическое
загрязнение моря, обрыв бурильного инструмента и т п.)-
Птак, инжедср-механик ППЕУ, ответственный за состояние ПУО,
увидев, что давление в системе ниже номинального значения, должен
провести диагностическое обследование системы. Убедившись, что
причина в утечках рабочей жидкости, он должен далее установить,
причем как можно быстрее, какой или какие конкретно распредели-
тели разгерметизированы.
Подчеркнем, что временной фактор в указанной ситуации чрез-
вычайно важен.
Если точно руководствоваться имеющейся технической доку-
ментацией, то поиск неисправного гидроаппарата следует вести,
последовательно отсоединяя сливной трубопровод от проверяемых
устройств. Однако рекомендации относительно того, с чего начать, в
какой именно последовательности проверять элементы гидросистемы,
в этой документации отсутствуют, и поэтому поиск неисправного
устройства может оказаться неоправданно длительным. Как быть?
Описанная задача является достаточно типичной и правильно
решается так (л. 111):
Нужно, чтобы каждая очередная проверка (тестирование) эле-
ментов гидросистемы обеспечивала максимум величины J/ т,
где J — количество получаемой при этой проверке информации, то
есть изменение энтропии системы, г - затрачиваемое на данный
тест время.
Формулу для вычисления энтропии системы мы приводили выше.
Она проста на вид, но вычисления по ней сложны.
В (л. 110) описана работа экспертной системы, которая помогает
инженеру-механику, рабочее место которого в современных уста-
новках компьютеризировано, выбира гь правильную тактику поиска
негерметичного гидроаппарата и минимизировать затраты времени.
Ее ядром является программа WT, позволяющая определять для
каждого варианта тестирования гидросистемы величину W. Чтобы
понять, как работает программа, рассмотрим следующую систему
соединения распределительных клапанов со сливным трубопроводом
(рис. 76).
-253-
Рис 76. Схема соединения
1,2,..., 7 -клапаны, А,В,....,К-т. соединения.
Пусть в этой системе
один из семи элементов не-
исправен. Как установить,
какой? Отсоединяя один или
группу элементов от слива
(точки рассоединения обоз-
начены буквами) мы разде-
ляемсистему на две части, в
одной из которой находится
искомый элемент, распреде-
лительных клапанов
Таким образом диагнос-
тируется одно из двух состо-
яний системы: негерметична
правая часть (состояние
1) или негерметична левая
(состояние 2). Пусть в части т элементов (например, 2), а в правой
- п -т, то есть 5.
Тогда энтропия системы, пребывающей в одном из двух возмож-
ных состояний, будет равна
Н - J = (Рп log Рп + (1-PJ log (1-Рв))
В этой формуле Р т - вероятность нахождения системы в состоя-
нии 1, то есть вероятность негерметичности одного из ш элементов
левой части. Эта вероятность вычисляется суммированием вероят-
ностей отказа Рк каждого из т элементов: Pr = S Р (Значения
Рк для распределителей различного типа и конструкции в общем
случае неодинаковы).
Если время, затрачиваемое на разделение системы, не имело бы
значения, то, как легко доказывается, разделять систему на две час-
ти следовало в таком месте, чтобы Р=1/2. В этом случае энтропия
уменьшается максимально. Иначе говоря, до разделения и проведения
тестирования энтропия системы Н при Рп = 1/2 максимальна и равна
1 бит, а после тестированию - нулю (после тестирования становится
точно известно, в какой из двух частей системы находится неисправ-
ность). Таким образом, J- Н. Далее процедура должна была бы быть
повторена: неисправная часть системы вновь разделяется на две час-
ти, в каждой из которых с вероятностью 1/2 может наличествовать
дефект.
В реальности времена X разделения системы в различных точках
(времена развинчивания фланцевых и других типов соединений)
существенно различаются. А поэтому нужно для каждой точки разде-
-254-
ления системы, то есть для каждого возможного варианта тестирова-
ния, вычислить соответствующее значение Н, затем W, а после этого
выбрать ту точку для проведения тестирования, для которой Wимеет
наибольшее значение. Это и делает программа WT, которая работает
с базой данных, содержащей схему гидросистемы управления ПУО и
значения т. Вычисляются значения Рк с учетом производимых замен
неисправных гидроапрардтов, постепенного накопления повреждений
в их уплотнительных, элементах и других динамических факторов на
основе компьютерного моделирования и предположений о характере
случайных процессов, обуславливающих отказы, например, что они
являются Марковскими (л.7, 22)
Приведенный пример иллюстрирует всего лишь один подход к
локализации неисправности в сложном системе. Разумеется, в повсед-
невной деятельности инженеры, выполняющие эту работу, зачастую
могут обходиться без компьютера и экспертных диагностических
систем. Их опыт и знания «слабых» элементов системы, основанные
на глубоком понимании происходящих в ней рабочих процессов,
позволяют им в ситуациях отказа принимать оптимальные решения
относительно процедур поиска неисправного элемента.
-255-
§ 2.4.4 Техническое обслуживание и ремонт машин
и оборудования
Техническое обслуживание - вид инженерной деятельности,
осуществляемой с целью
• поддержания ТО в работоспособном состоянии, (то есть
состоянии, при котором ТО функционирует в заданных условиях и
при этом выходные параметры и характеристики рабочих процессов
находятся в допустимых границах);
• обеспечения, а во многих случаях и продления нормативного
срока службы ТО в целом, его отдельных агрегатов, узлов и дета-
лей;
• повышения уровня их безотказности и предотвращения ава-
рий;
• снижения эксплуатационных затрат, связанных с использова-
нием ТО по назначению.
Содержание этой деятельности в основном сводится к
наблюдению и контролю (мониторингу) выполнения установ-
ленных правил эксплуатации ТО (указаны в технических условиях,
паспортах на оборудование и других документах);
проведению профилактических мероприятий, направленных на
достижение указанных, целей (регулировка зазоров в кинематических
парах, поддержание уровня смазывающей и охлаждающей жидкостей,
введение в них противоизносных и антикоррозионных присадок и
т.п.), а также планово-предупредительным ремонтам,
Каждый плановый ремонт деталей, узлов, агрегатов должен осу-
ществляться в объеме, обеспечивающем восполнение (компенсацию)
того их износа, который явился результатом эксплуатации оборудо-
вания в предшествующий ремонту период.
Определенные представления о существе технического об-
служивания сегодня имеют очень многие студенты, являющиеся
автомобилистами, или те, в семьях которых имеется автомобиль. На
ряде механических специальностей студенты в обязательном порядке
изучают курсы ремонта и монтажа технологического оборудования. И
тем не менее рассмотрим инженерные задачи, решаемые в этой сфере
деятельности, более подробно.
Итак, система мероприятий по техническому обслуживанию и
ремонту машин включает (л. 7):
• комплекс плановых работ, связанных с предупреждением
отказов и неисправностей оборудования (регламентные, профилак-
тические и т.п. работы;
-256-
• комплекс ремонтных работ, направленных на восстановление
его работоспособного состояния и ресурса.
Все виды технического обслуживания включают в себя операции
контроля, регулировок, наладок и замен отдельных деталей, сбороч-
ных единиц и агрегатов.
Периодичность, продолжительность, трудоемкость технического
обслуживания и ремонтов и затраты материальных и финансовых
средств на эти работы могут находиться в самых различных соотноше-
ниях в зависимости о г конструктивных особенностей машин, условий
эксплуатации и принятых в соответствующей организации критериев
эффективности своей производственной деятельности.
При проектировании системы технического обелу?кива.циа И
ремонта плановые работы могут назначаться:
• по достижении определенной наработки (в часах, километрах,
иных единицах) узла, агрегата или машины В целом;
• по прошествии определенного периода эксплуатации;
• по обоим вариантам.
При этом возможны две стратегии работ, определяющие вид,
объем и календарное расписание мероприятий по техническому обслу-
живанию (рис. 77). Одна—это планово-предупредительная, при которой
профилактика осуществляется в сроки, строго определяемые заданной
наработкой, другая - смешанная, при которой наряду с плановой про-
филактикой, проводится и внеплановая, обусловленная появлением
отказов и неисправностей в период между плановыми работами.
Первая стратегия хороша тем, что позволяет четко планировать
работу на достаточно длительный период, обеспечить равномерную
загрузку обслуживающего персонала, вовремя запасаться комп-
лектами запасных частей. Основной ее недостаток — слабый учет
, ^1 ^2 Т3 Т4
э) /---------------------------------------------------—
п rf. П.П. П.П. П.П,
Tl т2 - т3 = ...
Н.П. Тз п.п. н.п. т6
б) —-_________г
пп Н.П.
т, т2 т3 ^ ... тп
Рис. 77 Стратегии профилактик машин по срокам проведения
а) планово-предупредитечьная б) смешанная стратегии. П.П. - плановая -
Н.П - неплановая профилактика, т - наработка.
-257-
фактического состояния оборудования к моменту проведения про-
филактических работ и необходимость при этой неопределенности
обеспечивать гарантии его работоспособности до следующего срока.
Указанное обстоятельство, как правило, приводит к увеличению
времени нахождения оборудования в неработоспособном состоянии
в течение всего периода эксплуатации, росту затрат труда и матери-
альных ресурсов на техническое обслуживание, Вторая стратегия
позволяет использовать простой оборудования, вызванный отказом и
необходимостью проведения ремонтных работ по устранению причин
отказа, и для профилактики, В ряде случае это дает выигрыш, несмот-
ря на то, что неопределенность момента поступления оборудования
на техническое обслуживание вызывает трудности планирования и
подготовки работ.
При техническом обслуживании мащин и оборудования сочета-
ются различные подходы:
техническое обслуживание с принудительной заменой деталей и
сборочных единиц вне зависимости от их технического состояния;
техническое обслуживание с заменой деталей л сборочных еди-
ниц, исходя из их технического состояния;
техническое обслуживание с заменой деталей ц узлов, износ
которых достиг предельно допустимого уровня;
техническое обслуживание с восстановлением (ремонтом) изно-
шенных деталей.
Как именно сочетаются указанные подходы, зависит в существен-
ной мере от обслуживаемого оборудования, опыта и квалификации
специалистов, организации системы технического обслуживания и
ремонта.
В техническом обслуживании машин и оборудования различают
текущий и капитальный ремонт. Текущий ремонт может быть пла-
новым (планово-предупредительным) и внеплановым. Капитальный
ремонт также может быть плановым и внеплановым. Главное их
отличие в том, что текущий ремонт направлен на устранение или
предупреждение отдельных неполадок и возможных неисправностей
узлов, агрегатов, деталей ТО, а капитальный ремонт выполняется с
целью восстановления ресурса ТО.
На практике применяют различные формы обслуживания машин
и оборудования. Наиболее распространен метод обслуживания на
основе специализации и разделения труда.
Высшая организационная форма ремонтных работ - поточный
метод ремонта. Ремонтные и слесарно-сборочные операции при этом
методе выполняются на поточных линиях (стационарных или под-
-258-
вижных), представляющих собой расположенные в технологической
последовательности специализированные посты (рабочие места),
оснащенные высокопроизводительным оборудованием, средствами
механизации, специализированными и универсальными оснасткой
и инструментом.
В ремонте нефтепромысловых машин и оборудования при-
меняются следующие методы: необезличенный, обезличенный и
агрегатный.
При необезличенном ремонте сохраняется принадлежность
восстановленных деталей и узлов вполне конкретному ТО или агре-
гату’ ТО (за исключением деталей общего назначения: подшипников,
прокладок и т.п.). Этот вид ремонта используется при низком уровне
унификации деталей и сборочных единиц.
При обезличенном ремонте не сохраняется принадлежность
восстановленных составных частей к определенном ТО. Данный вид
ремонта, возможный при высоком уровне унификации деталей и сбо-
рочных единиц, способствует применению типовых технологических
операций ремонта, то есть широкому использованию технологических
методов, характерных для крупносерийного Производства.
Агрегатный метод ремонта -это обезличенный метод, при ко-
тором неисправные сборочные единицы, узлы и агрегаты заменяются
новыми или заранее отремонтированными. Этот метод наиболее
эффективен в промысловых условиях.
Независимо от применяемого метода ремонта технологический
процесс капитального ремонта нефтепромыслового оборудования
можно представить в виде следующей последовательности обязатель-
ных операций (рис. 78, л. 7).
Инженер, занятый в техническом обслуживании и ремонте обо-
рудования, имеет в своем распоряжении инструкции, предписания,
регламенты, нормативы, методики, справочники, каталоги и другую
документацию и информационные источники, во многом определя-
ющие содержание и процедуры его деятельности. Тем не менее, ему
приходится решать множество очень непростых, разноплановых, отно-
сящихся к категории неформальных, творческих задач и вопросов.
Это и технологические вопросы, к которым, относятся, например,
такие:
с помощью каких средств и как производить демонтаж и
разборку отдельных узлов и агрегатов или оборудования в целом;
• заменять или ремонтировать (восстанавливать) изношенные
детали;
• какие и в каком количестве в связи с этим необходимо иметь
-259-
Рис. 78. Технологический маршрут капитального ремонта.
(приобрести) запасные части, материалы, инструменты? приспособ-
ления, технологические: установки;
• какие регулировочные работы и наладку необходимо произ-
водить.
Это и организационные вопросы, связанные с тем, где произво-
дить операции технического обслуживания и ремонта, на месте ли
эксплуатации оборудования без его демонтажа и силами выездной
бригады, или на своем участке (станции или пункте технического
обслуживания) и силами работающих там специалистов и обслужи-
вающего персонала, или же на специализированном предприятии
(базе производственного обслуживания, ремонтном зароде и т.п.),
как вообще должна быть организована служба, осуществляющая
техническое обслуживание и ремонт оборудования.
Ниже схематично представлен вариант организации службы тех-
нического обслуживания и ремонта бурового оборудования.
-260-
Рис. 79. Схема организации технического обслуживания и ремонта бурового
оборудования.
-261 -
ГЛАВА 2.5.
Сертификация машин, оборудования
и технологий
§2.5.1 Цели и существо сертификации
Сертификация машин, оборудования и технологий (услуг) мо-
жет быть определена как совокупность процедур по установлению,
контролю и документальному подтверждению их соответствия оп-
ределенным требованиям, выполняемым специальными структурами
(организациями, органами, службами, экспертами), независимыми
ни от изготовителей и поставщиков (трейдеров, дилеров и т.д.), ни
о г потребителей, то есть третьей стороной.
В этом определении содержится три ключевых момента:
• наличие особых требований к ТО, соответствие которым должно
быть отдельно фиксироваться и контролироваться;
• независимость от заинтересованных сторон тех, кто осущест-
вляет сертификацию;
• удостоверение результатов сертификации специальным обра-
зом: документом (сертификатом соответствия), знаком (знаком соот-
ветствия), и их наличие является важным, а зачастую необходимым
условием, позволяющим использовать ТО по назначению.
Рассмотрение этих моментов в совокупности приводит к вы-
воду, что сертификация - это система деятельности, опирающая
на четкую нормативную (правовую) базу, включающая широкий
спектр взаимосвязанных процедур: от уяснения и формулирования
тех особых требований к ТО, соблюдение которых имеет решающее
значение в обеспечении высокого качества и эффективного (безопас-
ного) использования ТО, до испытаний ТО, оценки и мониторинга
условий его изготовления и эксплуатации во всей их полноте
Основным объект ом сертификации является промышленная про-
дукция. Сертифицируется прежде всего и главным образом продукция,
использование которой может создавать прямую или косвенную угрозу
здоровью и жизни людей, угрозу окружающей среде. Но в принципе
сертифицироваться может любой объект, технология, услуга, вообще
любая система, в том числе информационного характера (например,
методика, программа, технология обучения и т.п.), для которых могут
быть разработаны и документально зафиксированы определенные
требования и методы достоверной и убедительной проверки выпол-
нения этих требований.
-262-
Уместен вопрос, каковы основания для того, чтобы сертификацию
выделять в самостоятельный вид инженерной деятельности.
Действительно, установление требований к качеству ТО, техно-
логии его производства, определение норм и правил рациональной
нссплуагацци - все эти процедуры являются составной частью кон-
цептуального проектирования ТО, проектирования технологического
процесса и других уже рассмотренных видов инженерной деятель-
ности. Испытания ТО, их планирование, измерения, обработка и
содержательный анализ результатов - также являются типовыми
видами инженерной деятельности, рассмотренными нами в главе 4.
Формирование нормативной базы сертификации, разработка необ-
ходимых в этой части законов — деятельность, пограничная между
инженерной и законотворческой,
И тем не менее в государственный перечень направлений и спе-
циальностей инженерной подготовки в настоящее время включена в
качестве самостоятельной специальность «Стандартизация и серти-
фикация (по отраслям)». Следовательно, основания для отдельного
рассмотрения этой сферы инженерной деятельности имеются. В чем
дсе они состоят?
Прежде всего, в специфике выполняемых процедур, их взаи-
мообусловленности, в том, что они осуществляются в рамках опре-
деленной системы, которая задает четкие правила их выполнения
и функционирует под руководством специально уполномоченного
органа.
Задумывая производство определенного изделия, надо, как мы
уже подчеркивали, сформулировать, какими оно должно обладать
характеристиками, параметрами, свойствами, каким требованиям и
условиям должно удовлетворять. И мы указывали, что при решении
зтого вопроса проектировщик ищет компромисс между не всегда сов-
падающими инт ересами изготовителей, поставщиков, потребителей,
и тех, кто занимается техническим обслуживанием и ремонтом ТО.
(Существуют определенные технологии выявления этих интересов и
определенные технологии формирования этих интересов, в частности,
реклама).
Однако в условиях конкурентной борьбы, в стремлении получить
максимальную прибыль в короткие сроки и тс. и другие, и третьи
зачастую не учитывают или недооценивают целый ряд общественно
значимых факторов, связанных с производством и использованием ТО
(экологических, политических, социальных, этических и др.).
Разве могли первые производители аэрозольных упаковок пред-
цолагагь, что эти ТО будут в последующем заподозрены в том, что
-263-
они оказывают негативное влияние на состояние озонового слоя
атмосферы Земли.
Тревога в связи с нарастающими масштабами техногенного воз-
действия нашей цивилизации на природу явилась одной из основных,
цо отнюдь не единственной причиной, побудившей различные страны
И мировое сообщество в целом развернуть деятельность по:
• углубленному и объективному анализу влияния различных
ТО, особенно производимых В массовом порядке, на экологию, физи-
ческое и нравственное здоровье людей, ИХ культуру, другие аспекты
жизнедеятельности;
• установлению определенных условий, требований, рамок,
стандартов, предотвращающих или ослабляющих негативные пос-
ледствия их производства и использования (нередко бывает, что сами
ТО безвредны, но применяемые при их изготовлении технологии
чрезвычайно опасны);
• проверке соблюдения этих условий, требований, стандартов.
Есть и другие причины. В частности, неодинаковость требований
к качеству продукции, методам и процедурам его оценки в различных
странах, несовпадение стандартов и других нормативных докумен-
тов, обусловленные традициями, национальными особенностями,
а зачастую поддерживаемые преднамеренно с целью ограничения
доступа иностранных конкурентов на внутренний рынок, препятс-
твуют расширению международного экономического сотрудничества,
являющегося важнейшим фактором политической стабильности на
нашей планете и обеспечения социального и научно-технического
прогресса.
Указанные обстоятельства, специфичность и системность серти-
фикации делают целесообразным подходить к ней как к особому виду
инженерной деятельности, понимание существа которой необходимо
формировать у будущих инженеров еще на студенческой скамье.
Различают добровольную и обязательную сертификацию.
Добровольную сертификацию по своему желанию проводит
изготовитель или поставщик продукции, имея в виду получить под-
тверждение и объявить, что его продукция (услуга) соответствует тем
или иным требованиям.
Обязательная сертификация - это сертификация, предусмот-
ренная в стране в законодательном порядке, или подлежащая проведе-
нию в соответствии с другими нормативными актами, касающимися
определенных видов продукции, условий их реализации. В России, в
частности, обязательность сертификации предусмотрена законом «О
защите прав потребителей».
-264-
Наглядной иллюстрацией целевой функции добровольной сер-
тификации может служит система Американского института нефти
(API) по сертификации нефтегазового оборудования. Соответствую-
щие изделия (насосы, бурильные трубы, фонтанная арматура и т.п.),
не прошедшие сертификацию по этой системе и не маркированные
знаком API, продаются на мировом рынке со значительной скидкой.
Обязательная сертификация требуется, как правило, для под-
тверждения безопасности потребительских товаров (лекарств, про-
дуктов питания, бытовых приборов; и т.д,), транспортных средств,
отдельных видов промышленного оборудования.
-265-
§ 2.5.2 Технология сертификации
Для уяснения технологии сертификации важны понятия системы
и схемы сертификации.
Под системой сертификации понимается совокупность участ-
нике? сертификации ? их взаимосвязях, соподчиненности, разграни-
чении ответственности и компетенции, а также правила, по которой
проводится сертификация. Главным участником системы является
орган по сертификации, который выдает основные документы: сер-
тификат соответствия и /или знак соответствия лицензию на право
применения знака соответствия. Схема сертификации — это определен-
ная совокупность и последовательность действий, устанавливаемых
для доказательства соответствия продукции (услуг) заданным требо-
ваниям. Каждая система сертификации определяет в своих правилах
используемые схемы сертификации.
Остановимся коротко на каждом из указанных видов процедур.
Основными технологическими процедурами сертификации яв-
ляются испытания, идентификация, оценка условий производства и
инспекционный контроль {рис. 80, л. 23).
В чем же особенность испытательных процедур, проводимых
при сертификации ?
В данном случае речь идет не только об испытаниях, суть кото-
рых состоит в том, что объект испытаний подвергается каким либо
воздействиям, связанным, в частности, с производством измерений,
в том числе и когда он находится в функциональном состоянии, но
также о проверке тех технических операций (измерений, модели-
рования, анализа, экспертных оценок и т.п.), с помощью которых
определяются технические характеристики продукции, в частности,
ее потребительские качества,
Испытания, результаты которых предусматривается использовать
для сертификации, могут проводиться только испытательной лабо-
раторией, имеющей соответствующие полномочия, документально
подтвержденное право. Для того, чтобы получить такое право и со-
ответствующий документ, именуемый свидетельством (аттестатом)
об аккредитации, необходимо доказать независимость лаборатории
от производителей и потребителей изделия, признать ее «третьей
стороной», способной осуществлять необходимые для сертификации
испытания и обеспечивать объективность их процедур и результагов.
иначе говоря, являющейся технически компетентной.
Аккредитацию испытательных лабораторий, претендующих
участвовать в обязательной сертификации продукции, организуют и
-266-
осуществляют Госстандарт России, другие государственные органы
управления (в частности, отраслевые министерства) в пределах своей
компетенции.
Рис. 80. Процедуры. сертификации.
Оценка условий производства.
Как правило, в существующих системах сертификации предус-
матривается оценивание возможностей производства обеспечивать
стабильность потребительских показателей продукции, постоянство
соответствия этих показателей установленным требованиям.
Эти возможности производства в существенной мере определя-
ются наличием на производстве и эффективностью системы управле-
ния качеством продукции. В связи с этим в международной практике
широко распространена сертификации производственных систем
качества. Для некоторых видов продукции подобная сертификация
служит основой для сертификации продукции и предоставления права
на использование знака соответствия.
Заказчик (покупатель или потребитель) продукции имеет право
ознакомиться с ее производством, с тем, каким образом обеспечивается
требуемое им качество. Во многих случаях системой сертификации
предусматривается, что это ознакомление производится соответству-
ющим органом по сертификации или иной независимой структурой и
opt авизуется как специальная проверка, цель которой - удостоверение
возможностей данного производства стабильно выпускать продукцию
требуемого качества.
-267-
Инспекционный контроль проводится третьей стороной - орга-
ном выдающим сертификат, чтобы выяснить продолжает или перестает
соответствовать продукция (услуги и т.п.) заданным требованиям.
Контроль может организовываться по-разному, например, вне-
запно для изготовителя или с помощью периодических испытаний
образцов, изымаемых как у изготовителя, так и в сфере реализации.
Порядок ц процедуры инспекционного контроля, соответствующие
финансовые и правовое вопросы заранее оговариваются в докумен-
тах (договорах, соглашениях), определяющих условия и процедуры
сертификации продукции,
Этими документами, в частности, может быть предусмотрено, что
в случае неудовлетворительных результатов инспекционного контроля
временно приостанавливается или даже аннулируется действие рацее
выданного сертификата соответствия, а некачественная продукция
возвращается изготовителю. Результаты инспекционного контроля
могут также служить основанием для уточнения стандартов, перечня
требований, которым должна удовлетворять сертифицируемая про-
дукция. Инспекционный контроль за сертифицированной продукцией
в процессе производства осуществляют в нашей стране органы, вы-
давшие сертификаты, как правило, с привлечением территориальных
органов Госстандарта России. Предусматривается также возможность
участия в инспекционном контроле обществ (союзов) потребителей
и инспекции организаций, реализующих продукцию на рынке. Ин-
спекционный контроль проводится в течение всего срока действия
сертификата. Критерии, определяющие периодичность и программу
инспекционного контроля, - это, прежде всего, степень опасности,
которая связана с использованием сертифицированной продукции,
объем ее выпуска, уровень стабильности производства, стоимость
работ, предусмотренных инспекционным контролем.
Идентификация позволяет установить, соответствуют или нет
сертифицированное изделие (продукт) сертификату, иначе говоря
является ли оно или не является тем, за которое его выдают (пиво
действительно Клинское, духи действительно Шанель № 5 и т.д.).
Идентификация предусматривает выполнение следующих про-
цедур: проверку информаций о продукции, предоставляемой соот-
ветствующей стороной (изготовителем, поставщиком, продавцом),
а также документальное свидетельство результатов проверки - в
сертификате, паспорте и т.п.
-268-
Из изложенного следует вывод, что основные процедуры, вы-
полняемые при сертификации инженером — это, так или иначе,
процедуры количественных и качественных измерений и анализа их
результатов.
П именно поэтому государственный образовательный стандарт
подготовки дипломированных специалистов по направлению «Стан-
дартизация, сертификация и метрология» предусматривает включение
в учебный план специальностей, входящих в это направление, значи-
тельного по объему блока дисциплин, связанных с измерениями. Это
такие дисциплины, как физические основы измерений, общая теория
измерений, методы и средства измерений, испытаний и контроля,
планирование и организация эксперимента, автоматизация измерений,
контроля и испытаний, квалиметрия.
Подводя итог краткого рассмотрения сертификации, можно ска-
зать что она в целом относится к тем видам инжиниринга, которые
имеют целью обеспечить эффективное использование ТО по назна-
чению. Вместе с тем, в части выработки требований, условий, стан-
дартов, которым должен удовлетворить ТО, сертификация впрямую
связана и с проектированием, и с изготовлением ТО,
-269-
ГЛАВА 2.6.
Организация и управление деятельностью
§ 2.6.1 Понятие о проектном менеджменте
Вернемся к исходным позициям нашего рассмотрения существа и
видов инженерной деятельности, в частности, к обобщенной модели
деятельности, представленной на рис. 6,
Эту м,одель можно интерпретировать следующим образом;
чтобы получить некоторый продукт (будь то изделие, технология,
методика, программа и проч.), надо «запустить» соответствующий
процесс деятельности. Для этого надо вначале определить исходные
цели и задачи этой деятельности, обеспечить ее необходимыми для
«запуска» средствами, разработать технологию оперирования с этими
средствами. В процессе деятельности цели и задачи могут уточняться,
корректироваться, средства - также претерпевать самые различные
изменения.
Возникает вопрос: кто все это делает - запускает деятельность,
управляет ею, формулирует и корректирует цели, находит нужные
ресурсы? Поставим вопрос в еще более широкой плоскости. Создание
и использование любого ТО на самом деле обеспечивается сложной
системой деятельности, что иллюстрирует рис. 6. Как возникает эта
система, как она функционирует, как и кем планируется, координи-
руется, управляется?
Ответить на поставленные вопросы можно следующим образом.
Все зависит от степени сложности этой системы. Ее масштабов.
Воспользуемся следующей аналогией.
Автолюбитель, особенно опытный, умеет самостоятельно вы-
являть и устранять целый ряд неисправностей своего автомобиля,
выполнять разнообразные регулировочные работы: поддерживать
уровень масла и охлаждающей жидкости в двигателе, давление в
шинах, заменять тормозные колодки, масляные и воздушные фильтры
и т.д. То есть на определенном уровне сложности проблем техничес-
кого обслуживания и ремонта автомобиля автолюбитель справдяется
с этими проблемами, совмещая две роли: роль водителя - главную
роль и роль автослесаря (автомеханика) по мелкому ремонту. Но если
возникают более сложные проблемы, он обращается в автосервис, где
автомобиль попадает в руки профессионалов в области технического
обслуживания и ремой га.
Так и в организации деятельности и управлении ею.
На уровне небольшого коллектива - бригады, группы, отдела,
отдельной службы и даже небольшого предприятия - это может с
успехом осуществлять человек, имеющий инженерное образование,
соответствующее профилю работы этого долл ею ива, прошедший,
в частности, путь от рядового сотрудника до руководителя. При
этом он зачастую < овмегцает функции руководителя с функциями
сотрудников, подчиненных ему. Например, заведующий кафедрой
в вузе, организуя деятельность преподавателей и управляя ею, сам
является преподавателем. Бригадир проектной бригады сам является
проектировщиком, и т.д.
Учебными планами инженерной подготовки сегодня, как и пре-
жде, предусматривается изучение дисциплины «основы менедж-
мента» (по-старому «организация и управление производством»).
Назначение этого курса как раз и состоит в том, чтобы инженер
был подготовлен к работе по организации и управлению деятельнос-
тью возглавляемого им коллектива в контексте деятельности всего
пр едприяпи т (организации).
Однако когда возникает необходимость наладить новое большое
дело (организовать новое производство, осуществить крупное стро-
ительство, перейти на новые технологии, снять кинофильм, начать
издание нового журнала и т.п.) и для этого организовать соответс-
твующую деятельность, требуются профессионалы особого рода
- специалисты в области проектного менеджмента.
То, чем занимаются инженеры, которые возглавляют крупные
коллективы (на предприятиях, в проектных организациях), в сущнос-
ти, и есть проектный менеджмент. Поэтому мы выделяем проектный
менеджмент в особый вид инженерной деятельности.
В § 2.1.1 отмечалось, что у нас в стране понятие «проект» исполь-
зуется как для обозначения продукта инженерного проектирования,
то есть оформленной в виде определенных документов (чертежей,
пояснительных записок, спецификаций и т.п) информации о ТО, так
и для обозначение некоторой идеи, замысла, затеи. В англоязычных
странах в первом случае оперируют понятием dezing (дизайн), во
втором - понятием projekt (прожект).
Когда речь идет о проектном менеджменте, то имеется в виду
projekt management и те большие дел а, о которых сказано выше - это
и есть проекты в смысле projekt.
В настоящее время проектный менеджмент - одно из активно
развивающихся дисциплин общей методологии деятельности. Боль-
шинство из тех инженеров-руководителей, которые заняли соответс-
твующие должности, последовательно пройдя по всем ступеням
-271 -
инженерной карьеры, осваивали проектный менеджмент, развивали
его, приобретали менеджерский опыт через практику своей работы. Но
в последние полтора-два десятилетие целый ряд крупных универси-
тетских центров, широко известных в мире(в том числе и Губкинский
университет) осуществляет целевую подготовку специалистов по
проектному менеджменту. Соответствующая образовательная про-
грамма, как правило, двухгодичная, называется MBA (master biznes
administration). Принимаются на эту программу лица, уже имеющие
высшее образование. Весьма распространены очно-заочная форма
обучения, в том числе дистанционное обучение. Сегодня наличие
академической степени по программе MBA является во многих
крупных компаниях необходимым условием для занятия должности
топ-мснсджера (руководителя верхнего уровня).
Главой, посвященной проектному менеджменту мы завершаем
первый раздел данной книги и одновременно подытоживаем и обобща-
ем то, что было изложено в предыдущих главах. Это сделано потому,
что во-первых, для успешного осуществления этой деятельности
необходимо хорошее понимание содержания всех рассмотренных
нами видов инженерной деятельности, и, во-вторых, что от уровня
проектного менеджмента, его эффективности качество технических
объектов зависит в первую очередь, успешность их производства и
использования, иначе говоря эффективность каждой отдельной фазы
жизненного цикла ТО и взятых в совокупности.
Начнем рассмотрение содержания проектного менеджмента,
как обычно, с понятийного аппарата. Вот как в учебной литературе
определяется основное понятие - понятие проекта
Проект - это система сформулированных в его рамках це-
лей, технических объектов, создаваемых илн модернизируемых
в соответствии с этими цепями, требуемых для этого техно-
логических процессов, а также технической и организационной
документации для них, материальных, финансовых, трудовых и
иныхресурсов, а также управленческихрешений ц мероприятий
по их выполнению.
В том, как создается технический объект и как осуществляется
проект, есть много общего. Это, вообще говоря, очевидно, поскольку
проектом как раз и может быть создание некоторого технического
объекта, например, гидрофицированной буровой установки с непре-
рывным спуско-подъсмом или нового самолета, или магистрального
газопровода.
-272-
Следовательно, целенаправленная деятельность по разработке
и реализации проекта может отображаться обобщенной схемой де-
ятельности, представленной на рис. 6
Проектный менеджмент, или говори иными словами, управ-
ление проектом можно коротко определить следующим образом
-это деятельность но организации и управлению деятельностью,
необходимой для разработки и реализации проекта.
В (лЛ08) приводится следующее развернутое определение уп-
равления проектом.
Управление проектом — искусство руководства и координации
людских и материальных ресурсов на протяжении жизненного
цикла проекта путем применения системы современных методов
и техники управления для достижения желаемых результатов по
составу ц объему, стоимости, времени, качеству и удовлетворения
участнико. в проекта.
В нем содержатся следующие цажные положения:
во-первых, подчеркивание словом «искусство» неформального,
творческого характера этой деятельности;
во-вторых, констатация роли современных методов и техники
управления в проектном менеджменте и,
в-третьих, указание на жизненный цикл проекта, иначе говоря,
обусловленность конкретного содержания деятельности по управле-
нию проектом соответствующей стадией пли фазой его жизненного
цикла.
С позиций организации деятельности по проекту и управления
ею подходить к вопросу о «начале» в жизненном цикле проекта
можно точно также, как и к «началу» ТО. За точку отсчета в этом
цикле следует принимать не столько момент рождения замысла, или
даже документальное оформление этого замысла в виде инициатив-
ного предложения, записки в адрес тех, кто может выступить в роли
заказчика проекта, от кого зависит получение разрешения на реали-
зацию проекта пли выделение необходимых средств, сколько начало
практической реализации этого замысла: определение участников
проекта, формирование коллективов исполнителей, заключение до-
говоров, обеспечивающих развертывание работ по проекту, то есть их
финансирование и материально-техническое обеспечение.
Что же касается завершения жизненного цикла проекта, то еще
не так давно предполагалось, что это происходит с вводом в действие
ТО, передачей его в эксплуатацию, началом реализации в торговой
сети и т.п. Однако в последние годы по мере осознания того факта, что
суммарные расходы и доходы по проекту могут и должны зависеть от
-273-
периода использования сто результатов, все более и более утверждает-
ся точка зрения, что о финале в цикле жизни проекта следует говорить
тогда, когда ТО выводится из эксплуатации и утилизируется.
Красноречивый пример, иллюстрирующий, что именно так надо
подходить к вопросу о жизненном цикле проекта, - история создания,
эксплуатации и затопления в Тихом океане космической станции
«Мир».
-274-
§ 2.6.2 Участники проекта
К основным участникампроекта относятся: заказчик, инвестор,
проектировщик, поставщик, подрядчик, консультант, руководи-
тель проекта (проект-менеджер), байк {рис. 81).
Рис. 81 Основные участники проекта.
Коротко охарактеризуем каждого из них.
Заказчиком — будущим владельцем и пользователем результатов
проекта может быть как физическое, таки юридическое лицо. Задас-
тую в роли заказчика выступают несколько организаций (компаний,
государственных структур), объединивших на основе соответствую-
щего соглашения свои интересы, капиталы, другие ресурсы для осу-
ществления проекта и совместного использования его результатов.
Для примера, заказчиком проекта создания нового поколения
буровых установок с силовым вертлюгом (верхним приводом) для
бурения глубоких скважин на море, может выступить компания
«Росшельф», ведущая разработку нефтегазовых месторождений
на арктическом шельфе, или «Роснефть», участвующая в проектах
освоения месторождений Сахалинского шельфа,или консорциум,
включающий эти и другие компании, в частности «Уралмашзавод»
— непосредственный производитель указанных установок,
Инвестор - сторона, вкладывающая средства в проект. Если у за-
казчика достаточно собственных средств для финансирования проекта
или он может обойтись заемными средствами, например банковскими
кредитами, то он одновременно и заказчик, и инвестор.
В роли инвестора может выступать государство, точнее государс-
твенные структуры, уполномоченные управлять государственным и
муниципальным имуществом, а также физические и юридические
лица, в том числе иностранные в соответствии с действующим за-
-275-
конодательством. Инвесторами во многих случаях являются банки,
различные общественные фонды, для которых доходы от инвестиций
служат одним из источников наращивания капитала, Существуют
различные способы и: формы инвестирования средств в проекты.
Одна цз весьма распространенных - покупка акций, выпускаемых
владельцами будущей продукции,
Подрздчик (генеральный подрядчик, субподрядчики) - организа-
ции которые по контракту осуществляют практическую реализацию
проекта.
Проектировщик - организация или несколько организаций, одна
из которых является Генеральным проектировщиком, разрабатываю-
щие проектно-сметную документацию, берущие на себя соответству-
ющую часть инжинирингового обеспечения проекта.
Поставщик — одна или несколько организаций ответственных
за материально-техническое обеспечение проекта. Им поручаются
закупки материалов, машин, оборудования, организация доставки,
монтажа, наладки.
Проектировщик и поставщик могут в рамках проекта взаимо-
действовать с генподрядчиком и выступать в роли субподрядчиков, а
могут работать непосредственно с заказчиком.
Под Консультантом проекта обычно подразумеваются юри-
дические и физические лица, привлекаемые другими участниками
проекта на контрактных условиях для оказания различных консуль-
тационных услуг(консалтинга) по вопросам реализации проекта^ в
частности правовым, экологическим, маркетинговым и т.д.
Банк является одним из основных инвесторов проекта и одно-
временно осуществляет кредитование генподрядчика для расчетов с
субподрядчиками, а также обслуживает других участников проекта
по связанными с проектом финансовым операциям.
Особое место в осуществлении проекта занимает его Руково-
дитель - Менеджер проекта. Это физическое, а чаще юридическое
лицо (компания, фирма и т.п.), которому Заказчик (возможно, Ин-
вестор) дает в соответствии с заключенным контрактом полномочия
по общему' руководству работами по проекту: их планированию,
распределению, координации, контролю.
-276-
§ 2.6.3 Организация управления проектами
Важнейший компонент управления проектами - организация вза-
имодействия и взаимоотношении между всеми участниками проекта.
В этом вопросе существует большое разнообразие решений, иначе
говоря, организационных форм управления проектом.
Выбор той или иной формы во многом зависит от того, кто вы-
ступает в роли руководителя проекта и от принятого распределения
функций между участниками проекта.
В любом случае должно предусматриваться создание специальной
группы («команды»), которая или структурно относится к одному из
участников проекта, или становится самостоятельным участником
проекта.
Существует два основных принципа формирования подобной
группы,
Основные участники проекта — заказчик, инвестор, подрядчик
(возможно, и некоторые другие участники) согласовывают кандида-
туру единого (первого) руководителя проекта и создают каждый у
себя собственные группы управления, возглавляемые руководителями
проевда, подчиняющимися первому руководителю. В практике не-
редко, когда руководитель проекта от одного из основных участников
является и первым руководителем проекта
Для управления проектом создается единая группа во главе с
руководителем, и в эту группу входят полномочные представители
всех участников проекта для осуществления функций в соответствии
с принятым распределением ответственности.
Управлять проектом можно с использованием различных струк-
тур управления.
В организациях, для которых характерны стабильный режим
работы, постоянство специализации и относительная равномерность
производства, чаще всего имеет место функциональная структура.
В этой структуре предусматриваются должности линейных ру-
ководителей, у каждого из которых в подчинении находятся функци-
ональные руководители определенного направления, возглавляющие
одно или несколько структурных подразделений.
Функциональная специализация аппарата управления в рас-
сматриваемой структуре существенно повышает его эффективность
за счет углубленной профессиональной специализации работников
функциональных подразделений. Однако в крупных организациях,
как правило, возникает проблема межфункцпональной координации,
решение которой чаще всего происходит на самом высоком уровне
-277-
управления, Первые руководители из-за большой загруженности нс
всегда могут осуществлять такую координацию в оперативном режи-
ме, и система управления в целом может становиться инерционной.
Одним из способов избежать этого является введение в струк-
туру управление должностей координаторов, которым поручается
обеспечивать связь между функциональными подразделениями. Роль
координатора может выполнять и один из линейных руководителей.
В качестве примера функциональной структуры управления
укажем на СТРУКТУРУ аппарата управления в вузе. Линейными
руководителями в данном случае являются проректоры, каждому
ИЗ которых подчинены определенные функциональные подразде-
ления' проректорам по учебной работе —те, которые ответственны
за организацию и методическое обеспечение учебного процесса (в
частности, учебно-методическое управление, библиотека, отделы
оперативной полиграфии, технических средств обучения), прорек-
тору па научной работе—подразделения научно-исследовательской
части (НИЧ), проректору по экономической работе - планово-фи-
нансовый отдел, отдел совершенствования хозяйственного меха-
низма) и т.д.
Поскольку учебно- воспитательный процесс является чрезвычай-
но многогранным, в его организации участвует много подразделе-
ний. В силу этого в учебном проректорате могут предусматриваться
несколько должностей проректоров — собственно проректор по
учебной работе, проректор, ответственный за информатизацию и
компьютеризацию учебного процесса и управления вузом, прорек-
тор, ответственный за воспитательный процесс, внеучебную работу'
со студентами. При этом на одного из этих проректоров могут быть
возложены координирующие функции. Так, в университете Губкина
предусмотрены должности первого проректора по учебной работе,
координирующего работу проректоров учебного проректората, и
первого проректора по административно-хозяйственной работе, так-
же выполняющего координирующие функции среди проректоров,
руководящих соответствующими подразделениями.
Матричная структура создается на базе функциональной струк-
туры. Ее особенностью является то, что для выполнения сложных
проектов может предусматриваться создание временных творческих
коллективов (проектных групп) во главе с руководителями проектов,
не обязательно являющимися руководителями како! о-либо функци-
онального подразделения.
Взаимодействие руководителей проектов с этими подразделе-
ниями осуществляется по горизонтали, и эти связи, накладываясь
-278-
на основные вертикальные связи руководства-подчинения, образуют
матрицу взаимодействия
Матричная структура управления позволяет достаточно гибко
маневрировать кадровыми ресурсами за счет целесообразного пере-
распределения их между проектами, но при сохранении админист-
ративной принадлежности исполнителей - членов проектных групп
соответствующим функциональным подразделениям. Руководитель
проекта, ответственный за конечные результаты, качество и своевре-
менность выполнения проекта, эффективное использование выделен-
ных финансовых и материальных ресурсов, дощкея добиваться своих
цедеп, не располагая непосредственной административной властью
над исполнителями.
Матричная структура управления, имея определенные преиму-
щества перед функциональный, все же оказывается недостаточно
эффективной при выполнении масштабных проектов, связанных с
решением проблем отраслевого, регионального или еще более серь-
езного уровня
Современный подход к организации управления подобными
проектами связан с использованием особых структур управления,
называемых проектными. В проектной структуре управления реали-
зуется подход, заключающийся в создании для осуществления проекта
специальной рабочей группы (самостоятельной фирмы), которая после
завершения работы над проектом распускается, а ее сотрудники, при-
влеченные к проекту, возвращаются на прежнее место работы.
-279-
§ 2.6.4 Планирование проекта
Планированию в управлении проектами принадлежит централь-
ное место, поскольку оно является стержнем всех основных органи-
зационных мероприятий по реализации проекта.
Методологией управления проектами устанавливается 4 иерар-
хических уровня управления:
• концептуальный;
• стратегический;
• текущий;
• оперативный.
Каждому из этих уровней соответствует своя система планирр-
вания.
План на цонцентуцлыюм уродце должен определять цели и
задачи проекта. В нем.описываются альтернативные варианты дейс-
твий по разработке и реализации проекта с анализом негативных и
позитивных аспектов каждого варианта, основных проблем, которые
могут возникнуть, дается укрупненная структура работ и их последо-
вательность, предварительная оценка продолжительности и стоимос-
ти, потребностей в ресурсах, их возможных источников.
Как правило, указанный план разрабатывается в виде бизнес-плана.
Главный вопрос, на который в конечном счете должен ответить бизнес-
план-это вопрос о том., стоит ли вкладывать средства в проект, найдет
ли создаваемый в результате его реализации продукт своего потреби-
теля, принесет ли он доход, который окупит все затраты и обеспечит
получение желаемой прибыли в течении определенного времени.
Стратегический план определяет целевые этапы и основные
вехи осуществления проекта, характеризуемые сроками начала со-
ответствующих работ (подготовки фронта работ) и их завершения
(разработка проектно-сметной документации, изготовление опытного
образца, выход на режим серийного производства и т.п.). Указанный
план определяет потребности в материально-технических, кадровых,
финансовых ресурсах с распределением их по видам работ и перио-
дам времени, рубежные сроки поставки необходимых материалов и
оборудования.
Основное назначение стратегического плана - дать четкое пред-
ставление, как промежуточные этапы реализации проекта логически
выстраиваются в направлении к конечным целям проекта. План поз-
воляет распараллелить работы по проекту, определять задания для
исполнителей таким образом, чтобы они на определенных этапах
могли планировать собственную работу независимо друг от друга.
-2BQ-
Текущий план конкретизирует на год, в ряде случае с покварталь-
ной разбивкой объемы, содержание и сроки выполнения отдельных
видов работ, соответствующие задания исполнителям, потребность
в финансовых ресурсах, материалах и оборудовании и их сроки их
поставки.
Оперативный пдан отличатся QT текущего более коротким
периодом действия, он разрабатывается на месяц, декаду неделю,
сутки, смену (вахту).
В главе 1, посвященной проектированию ТО (в смысле Dezing),
отмечалось, что в эскизном, техническом, рабочем проектах можно
выделять определенные аспекты: функциональный, конструкторский,
технологически.
Естественно, что и рассмотренные выше планы - комплексные
документы, в них входят функциональные планы - планы на каждый
комплекс работ (маркетинговая проработка проекта, материально-
техническое обеспечение, разработка проектно-конструкторской
документации, стендовые испытания и т.п.), которые в свою очередь
могут различаться по степени охвата соответствующего вида работ
(сводный или частный планы) и представляться в форме календарных
планов.
В простейшем случае календарный план содержит даты начала и
окончания каждой работы (каждого отдельного ее этапа), а также не-
обходимые ресурсы. Но в крупных проектах, осуществление которых
всегда связано с фактором неопределенности, риска в отношении тех
или иных обеспечивающих выполнение проекта условиях, календар-
ный план может иметь до 6 вариантов указанных дат и продолжитель-
ностей работ. Это, в частности, ранние, поздние, базовые, плановые и
фактические даты, реальный и свободный резервы времени.
Сделаем некоторые пояснения Ранние и поздние даты определя-
ются на основании оценочных продолжительностей соответствующих
работ. Начало и окончание одной работы, как правило, зависит от
срока завершения другой. А поэтому можно указать самую раннюю
дату начала планируемой работы. Прибавив к этой дате оценочную
продолжительность, получаем самую раннюю дату окончания работы.
Но одновременно можно указать крайний срок окончания работы, при
котором не происходит задержки выполнения проекта в целом. Это
дата и есть дата позднего окончания. Разница между ранней и поздней
датами окончания работ определяется как резерв времени. Работы с
нулевым резервом называются критическими.
Плановые даты выбираются между ранними и поздними датами
выполнения работ. Первоначальные плановые даты, определяемые до
-281 -
начала выполнения проектных работ - базовые даты, относительно
которых в дальнейшем определяются отклонения в сроках реализа-
ции проекта.
Процесс составления календарного плана осуществляется таким
образом, что на первом шаге с помощью имеющихся методик, норма-
тивов, аналогий, прецедентов, экспертиз оценивается продолжитель-
ность работы, на следующем шаге - даты раннего начала и позднего
окончания. Затем задаются базовые даты. На рис. 82 представлена
структура дат календарного плана (л. 108).
А ЛЕНДАРНОГО
H АЧ А Л 0 ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ОКОНЧАНИЕ
раннее начало позднее начало базовое начало текущее начало фактическое начало продол житеяьн о сть резерв времени базовый резерв времени оставшийся резерв времени оставшаяся л родолжител ьно сть раннее окончание позднее окончание базовое окончание текущее окончание фактическое окончание
Рис. 82. Структура дат календарного плана.
Составление календарного плана при наличии сложных взаи-
мосвязей между выполняемыми по проекту работами и многовари-
антности системы распределения ресурсов, конечно же, ведется с
использованием современных программных средств (л. 97) - систем
ERP (Enterprise Resource Planning).
-282-
§ 2.6.5 Менеджмент персонала
Организация и управление деятельностью, то есть то, что
составляет существо проектного менеджмента, это, в конечном
счете, работа с людьми.
Сколь бы ни был высок уровень компетенции инженера в предмет-
ной области, какими бы глубокими знаниями он не обладал, например,
в области нефтепромыслового и бурового оборудования, он не сумеет
быть хорошим руководителем даже небольшого коллектива (участка,
бригады, проектной группы, отдела), если у него не выработалось по-
нимание, что для успешности работы специалиста в любой ипостаси
исключительную важность имеют его личностные качества, умение
разбираться в людях, строить и поддерживать правильные отношения
с коллегами, подчиненными, руководством. Это понимание - залог
того, что инженер будет стараться как можно объективнее оценивать
себя, стремиться к творческому росту, саморазвивцтию как личность,
как руководитель.
Вопросы, касающиеся человеческого фактора в управлении
проектами, составляют предмет специального раздела проектного
менеджмента, носящего название менеджмент персонала. По этому
разделу в настоящее время имеется обширная литература (л. 40, 96),
в вузах страны в рамках направлений «менеджмент» и «экономика»
осуществляется подготовка дипломированных специалистов по
управлению персоналом (в основном ориентированных на работу в
кадровых службах компаний, организаций и учреждений), но в ин-
женерной подготовке указанным вопросам уделяется минимальное
внимание.
Выше подчеркивалось, что уже на начальной стадии служебной
карьеры инженеру зачастую приходится совмещать функции специ-
алиста в своей предметной области с функциями менеджера. Если
говорить в более общем плане, то в сложной системе коллективистской
деятельности, связанной с созданием и использованием ТО, инже-
нер является одновременно и объектом и субъектом менеджмента
персонала: будучи членом управляемого вышестоящим руководите-
лем коллектива он - объект управления, будучи сам руководителем
подразделения - он выполняет определенные функции менеджера и
становится субъектом менеджмента персонала.
В силу этого знание методов управлении персоналом, умение
ими пользоваться —обязательная компонента профессиональной
подготовки, инженера, один из критериев оценки его квалифи-
кации.
-283-
Ограничимся здесь лишь беглым рассмотрением основных из
указанных методов.
Следуя (л, 40), отнесем к ним админис rpai ивные. экономические,
социально-психологические и коммуникационные методы.
Административные методы базируются на власти, дисциплине
и взысканиях. В исторической и художественной литературе чаще
упоминаются как «методы кнута». Классификация этих методов
представлена нарнс. 83.., л. 40),
Рис. 83. Административные методы управления персоналом.
-284-
Экономические методы управления персоналом основываются
на рациональном использовании экономических рычагов стимули-
рования деятельности и в обиходе известны как «методы пряника».
Естественно, что в центре этих методов так или иначе стоит оплата
труда персонала, система поощрений, доплат, льгот, вознаграждений,
премий и т.п. Но инженеру, да и любому работнику очень важно по-
нимать простую вещь: чтобы использовать экономические рычаги
управления трудовым коллективом, даже самым низовым, прежде
всего нужно, чтобы эти рычаги были. А их наличие зависит от боль-
шого числа факторов: общей экономической конъюнктуры в стране
и регионе, портфеля заказов на выполнение работ, организации и
эффективности деятельности предприятия или компании в целом,
квалификации персонала, состояния рынка труда, рыночной стои-
мости рабочей силы и многих, многих других.
Социально-психологические методы связаны с использованием
в управлении персоналом закономерностей, изучаемых социологией
и психологией.
Владение этими методами дозволяет руководителю коллектива
осуществлять разумное социальное и психологическое планирование,
в частности формировать кадровый состав подразделения, обеспечивая
психологическую совместимость сотрудников и комфортный психологи-
ческий климат в коллективе, не допускать или микшировать конфликтные
ситуации, поддерживать и развивать инициативность сотрудников.
Для реализации функций менеджера инженеру необходимо иметь
представление о особенностях использования в управлении персо-
налом таких способов психологического воздействия на отдельных
работников и коллектив в целом, как внушение, комплимент, похвала,
просьба, совет, убеждение, вовлечение, подражание, принуждение, по-
буждение, осуждение, порицание, требование, запрещение и проч.
Эффективной работе коллектива очень способствует наличие
узаконенной (системой внутренних документов) корпоративной
философии, включающей стратегию развития компании, принципы
деятельности, этические нормы, правила субординации, которые
следует соблюдать сотрудникам.
Под коммуникационными методами управления персоналом
подразумеваются те способы оказания необходимого влияния или
воздействия на трудовой коллектив или отдельных его членов, кол-
лег и партнеров, которые связаны с организацией и поддержанием
на определенном уровне формального и неформального общения
между людьми.
От уровня владения такими способами общения, как устная и
-285-
письменная речь, от умения слушать собеседника, от используемой
жестикуляции, принимаемых поз и т.д. результативность работы ру-
ководителя зависит достаточно сильно и недооценка этого - признак
недостаточной квалификации инженера- менеджера,
Казалось бы, разве может иметь сколько-нибудь существенное
значение для успешности деятельности инженера, да и не только ин-
женера, то, как он ведет деловые переговоры по телефону? Не только
может, но имеет, и немалое.
Автору практически ежедневно приходится сталкиваться с ситу-
ацией, когда, позвонив по телефону в то или иное подразделение, ту
или иную организацию, поздоровавшись и назвав полностью свою фа-
милию имя и отчество, должность, он в ответ слышит «Да?» или «Вас
слушают», или «Вам кого?», хотя ожидает вначале ответного представ-
ления, чтобы хотя бы знать, что он разговаривает не с автоответчиком.
Автор частенько упрекал себя за «занудство» после того, как тратил в
студенческой аудитории драгоценное время на объяснение будущим
инженерам -механикам норм делового телефонного разговора, и он с
большим удовлетворением обнаружил, что в фундаментальном труде
профессора А П.Егоршина «Управление персоналом» (л. 40), адресо-
ванном руководителям и специалистам предприятий, преподавателям
и студентам вузов, есть целый параграф, посвященный том}7, как надо
правильно вести деловые переговоры по телефону. Ниже приведены
содержащиеся в названной книге краткие рекомендации по этому воп-
росу, соответствующие общепринятым в деловой этике нормам:
звоня и отвечая на телефонный звонок, назовите свою фамилию
(имя и отчество) и должность;
говорите четко и естественно, чтобы Вас хорошо слышали и
понимали;
внимательно слушайте собеседника, не прерывайте в середине
фразы и не проявляйте нетерпения в разговоре;
отвечайте на звонок сами, если именно Вы даете информацию
или принимаете решение;
если нс располагаете запрашиваемой информацией в необходимой
мере, переадресуйте абонента к сотруднику, владеющему ею;
не превращайте телефонный разговор в бесплатную дискуссию
с надоедливым абонентом:
подготовьтесь к важной беседе, проиграв альтернативные ва-
рианты се хода, когда Вы намерены что-либо просить и Вам могут
отказать;
помните телефонный этикет - разговор завершает человек, поз-
вонивший первым.
-286-
ЧАСТЬ 3
ПРИНЯТИЕ ИНЖЕНЕРНЫХ РЕШЕНИЙ
ГЛАВА 3.1.
Проблема выбора и принятия решений
§ 3.1.1 Сущестро проблемы
Выбор и принятие решений - это то, что человек делает ежеднев-
но помногу раз, «часть его повседневной жизни»., как справедливо
отмечено в (л. 97).
В § 2.1.2 мы говорили, что каждая проектная процедура есть
совокупность работ, результатом которой является проектное
решение. При этом мы намеренно вычленили акт принятия решения
из процедуры синтеза, поскольку поиск, генерация различных вари-
антов проектных (а также, и управленческих, и диагностических, и
прогнозных, и т.д.) решений и принятие определенного решения - это
существенно различающиеся задачи, и они в инженерной деятельнос-
ти, как правило, возлагаются на разных людей
Следует в этой связи заметить, что к решению можно подходить
как к процессу, последовательности действий и операций, а можно
— как к конечному результату, продукту деятельности.
Выбор решения и принятия решение — это, на первый взгляд,
малоразличимые вещи, но опять же: выбор (подготовка) предпочти-
тельного («правильного») решения из множества альтернатив нередко
поручается одним работникам (экспертам), а согласиться с этим вы-
бором и принять решение - прерогатива других или другого.
Поэтому нам предстоит отдельно рассмотреть вопросы, как фор-
мируются варианты решений, как из них производит ся выбор решения
и как принимают решения те, кто имеет соответствующие полномочия
и несет равновеликую ответственность. Акцент в этом рассмотрении
мы сделаем на том, что делдет выбор и принятие решения одной из
самых, если не самой трудной проблемой в работе инженера.
В математической теории выбора и принятия решений соответс-
твующая задача формулируется д самом общем виде следующим
образом (л. 62).
Имеется множество вариантов решения (конечного результата
определенной процедуры деязельности, например, формирования
функциональной структуры ТО, определения перечня потреби-
-287-
тельских качеств, способов реализации функций, конструкции);
требуется выделить из этого множества некоторое подмножество, в
частном случае - один вариант. Это действие производится на осно-
ве представления лица (лиц), принимающего решение, о свойствах,
характеристиках, параметрах, которыми долны обладать отбирае-
мые варианты. Указанные представления отображается пршщгтом
опт имапьности.
Задачей принятия решения называют пару <Q, ОП>, где Q - мно-
жество вариантов, ОП — принцип оптимальности; решением задачи
< О, ОП > - множество О <z Q, полученное с помощью принципа
Оптимальности ОП.
Отсутствие хотя бы одного из указанных элементов лишает смыс-
ла задачу в целом. Если нет множества Q, то находить решение
нс из чего. Если нет принципа оптимальности ОП, то найти искомое
решение невозможно.
Математическим выражением принципа оптимальности служит
функция выбора F . Она выделяет из любого подмножества X с Q
его часть Fon(x), каждый элемент которой удовлетворяет принципу
оптимальности. Решением О исходной задачи является множество
(в частности, состоящее из одного варианта) F (О).
В общем случае как Q, так и ОП могут быть неизвестными. В
§ 2.1.2 подчеркивалось, что о количестве возможных вариантов
конструкции ТО проектировщик может и не иметь четкого представ-
ления. И информацию, необходимую для выделения О п получают в
подобных ситуациях уже в процессе поиска решения.
Если Q известно и конечно - речь идет о задаче выбора решения.
Если к тому же известен ОП-то задача классифицируется как задача
оптимимзации. Таким образом, задача выбора и задача оптимизации
являются частными случаями общей задачи принятия решений.
Необходимо понимать, что поскольку формулирование//^ - пре-
рогатива лица, принимающего решения (ЛПР), а его представления
о желательных свойствах ТО не обязательно совпадают с представ-
лениями других людей, ОП не является объективной категорией и,
следовательно, задача выбора и принятия решений в принципе может
быть формализована лишь частично.
Заметим, что ЛПР - понятие собирательное (л. 32). Это может
быть отдельно взятый инженер, выполняющий ту или иную про-
цедуру, или группа лиц, вырабатывающих коллективное решение
(научно-технический совет, совет директоров и т п.)
В процессе выработки и принятия решения наряду с ЛПР участ-
вуют специалисты, определяемые как эксперты и консультанты.
-288-
Экспертом называют специалиста, который
компетентен в соответствующей предметоной области, об-
ладает или должен обладать информацией по решаемой задаче,
способен подготовить и представить ее ЛПР в надлежащей
форме для анализа, в частности, произвести предварительную оцен-
ку альтернатив, дать предложения по формулированию принципа
оптимальности,
но не несет непосредственной ответственности за принима-
емое решение.
Консультант - это специалист по теории выбора и принятия ре-
шении, системам компьютерной поддежки этих процедур. Он разраба-
тывает и формализует нисколько это возможно модель исходной задачи,
организует работу' экспертов и ЛПР при поиске искомого решения.
Известно, что чем больше альтернатив, тем труднее сделать вы-
бор. Сложная проблема расчленяется на подпроблемы, те в свою оче-
редь на задачи, которые ранжируют по приоритетности, очередности
и т.д. Тем самым в проблеме выбора и принятия решений реализуются
системные принципы декомпозиции и иероархичности
Инженеру, только начинающему свою деловую карьеру, прихо-
дится по большей части выступать в роли эксперта первого уровня,
которому поручают выделить из исходного множества альтернативных
вариантов те, которые могут рассматриваться как допустимые. Из
них уже его непосредственный руководитель произведет дальнейший
отбор (то есть примет соответствующее решение) с тем, чтобы в
конечном итоге на рассмотрение ЛПР следующего иерархического
уровня было представлено нс более 3-4 вариантов.
Подобным же образом организуется работа и по формулированию
принципа оптимальности.
Первый шаг в этой работе - выявление всех факторов, оказыва-
ющих влияние на выбор и принятие решения, В их числе должны
быть не только те, на которые можно воздействовать, управлять ими,
но и слабо зависящие от инженеров, руководителей предприятий, на
коих возложено решение пробемы.
На этом этапе, как справедливо отмечено в (л. Литвинов), не
надо устанавливать существенность (приоритетность, значимость)
того или иного фактора. Валена полнота списка, и эту работу' полезно
поручить группе экспертов, которая должна представить полученные
результаты руководителю (ЛПР первого уровня). На него возлагается
принятие решения по ранжированию содержащихся в списке факторов
в соответствии с их приоритетностью, выделение ц исключение ма-
лозначимых факторов. Это решение, оформленное доджным образом,
-289-
снабженное необходимыми пояснениями, передается на следующий
уровень иерархической структуры управления предприятием (ком-
панией).
В обиходе оптимальность понимается как нечто хорошее, и даже
наилучшее.
На самом деле речь может идти и о наихудшем вариант?. Из-
вестно, например, что существуют конкуром на самый провальный
кинофильм года, деканы в вузах по итогам экзаменационных сессий
каждый раз решают вопрос, кто подлежит отчислению из вуза, ина-
че говоря, кто относится к категории худших студентов. И решение
декана по этому вопросу может быть как оптимальным, так и нс
оптимальным. Поэтому оптимальность лучше трактовать как
предпочтительность, удачный компромисс.
Обычно представляется, что процесс решения задачи <О, ОП>
должен быть организован по следующей схеме: формируется множес-
тво О, то есть исходное множество альтернатив, из него выделяется
подмножество альтернатив (множество рациональных решений),
удовлетворяющих требованиям допустимости (ограничительным ус-
ловиям, всегда наличествующим в задачах принятия решений), далее
с помощью ОП производится сужение О j и уже затем - окончательный
выбор решения.
К сожалению, этот алгоритм отнюдь не всегда эффективен, Зачас-
тую удается сформировать лишь часть множества Q причем вполне
может случиться, что один инженер или один коллектив, используя
свою информационную базу, будет искать решение на исходном мно-
жеств Qy, а другой, располагающий иной информационной базой, -на
множестве О.2, не совпадающем или не полностью совпадающем с
множеством О;; сужение первоначально сформированного множества
альтернатив на основе ОП мржет оказаться нс столь существенным,
как бы того хотелось.
О сложностях подобного рода говорилось в § 2.1.4.
В свое время перед автором, немало лет занимавшимся констру-
ированием забойных двигателей для ударно-вращательного бурения
скважин, была поставлена задача выбора наплучшего варианта конс-
труктивной схемы такого двигателя в случае испольования пневмо-
привода, иначе говоря конструктивной схемы пневмоударника. Одна
из подобных схем приведена на рис 56.
Патентный анализ в этой области, изучение схем пневмоударни-
ков, производимых на отечественных и зарубежных предприятиях,
показали, что множество приемлемых вариантов Q w в данном случае
чрезвычайно велико-каждая фирма выпускала свою собственную мо-
-290-
Рис, 84 Илдкюпрсщия унарных сравнении ацьигерндтив
дель, рекламные
проспекты свиде-
тельствовали об
эффективности
каждой. Выбрать
наилучшую схе-
му путем пере-
бора вариантов
В дацпом случае
оказалось практически не реально.
Дело в том, что за словами «перебор вариантов» стоит, как пра-
вило, большая работа. Нужно, примерно так же, как в спорте на куб-
ковых соревнованиях отбирают лучшую команду, провести Попарные
(бинарные, выражаясь научно) сравнения альтернатив, в каждой паре
определить худшую и исключить ее из дальнейшего рассмотрения, из
оставшихся составить новые пары и вновь сопоставить альтернативы
каждой пары, и так в конечном итоге «дойти до финала» (рис. 84).
Но что значит сравнить альтернативы? Чтобы выявить лучшего тен-
нисиста, боксера, баскетбольную команду, организуются соревнования,
матчи. В технике аналогом матчей являются сравнительные испытания,
а это весьма затратное мероприятие, требующее немало времени.
Проведение сравнений вариантов решений с помощью математи-
ческого моделирования, и/или методов экспертной оценки, конечно
же, эффективно и сегодня без этого не обходятся, но, как известно,
«теория без практики мертва». Выводы, полученные в результате мо-
делирования всегда желательно проверить экспериментально. Следует
также иметь в виду, что критерий для выбора лучшего спортсмена,
спортивной команды, как правило, один: выиграл - проиграл, приме-
нительно же к ТО эта простая схема не работает.
В силу этих обстоятельств инженеры стремятся найти иные,
более эффективные, нежели затяжные попартные сравнения, подхо-
ды к сокращению совокупности альтернатив, в которой находится
оптимальная.
В частности, для решения упомянутой задачи по пневмоудар-
никам был разработан описанный ниже метод эталонных моделей,
использование которого дает конструктору дополнительные ориен-
тиры относительно того, где, среди каких вариантов искать искомое
решение. Этот поиск в определенном смысле аналогичен поиску в
игре «холодно - тепло - горячо»
Есть и другие подходы, связанные с выделением ииз 4Э. О них
также речь будет идти ниже.
-291 -
Таблица 9. Классификация типов решений в инженерной
деятельности.
Классиф UKciijuOHH ый признак Тип решения
1, Содержание маркетинговое
управленческое
Техническое (i ipoeic но-конструкторскос)
технологическое
по обеспечению ресурсами
диагностическое
2. Кем принимается индивидуальное (персональное)
!~рупповое (коллективное)
3 Направлещтдод па внешние проблемы
на внутренние проблемы
4. Временной фактор принятие решения как процесс
принятие решения как завершающий акт
5. Период актуальности оперативные (текущие)
тактические(среднесрочные)
стратегические (долгосрочные)
6. Степень формализации про- цедур формализуемые (рутинные)
частично формализуемые
нсформализуемые (творческие)
7. Обязательность выполнения Дирсктивнвые
Рекомендательные
8. Значимость Принципиальные
Важные
Маловажные
9. Основания, аргументирован- но сть Интуитивные (эвристические) субъективные
Доказательные (объективные)
По аналогии, по прецеденту
10. Форма Документированные
Устные
11. Срочность Регламентированные по срокам принятия
Регламентированные но срокам реализации
Несрочные
-292-
Внешняя
информация
Рис. 85. Приниятие решения как прогресс.
-293-
В (л. 32) приведена содержательная и достаточно полная клас-
сификация типов решений, представление о которой, на нашт взгляд,
должен иметь каждый инженер. Фрагмент этой классификации пред-
ставлена в табл. 9 с некоторыми коррективами, имеющими целью
максимально связать ее с решениями, характерными для инженерной
деятельности.
Принятие решения как процесс, состоящий из 11 шагов, может
бытв отображен схемой, представленной иарис. 85. Эта схема имеет
много общего с схемой на рис. 33, описывающей типовую проектную
процедуру.
-294-
§ 3.1.2 Неопределенность, субъективизм и мпогэкритериалыюсть
в принятии решений
Постановка задачи выбора и принятия задачи (сокращенно ЗПР)
как пары <О, ОП> может быть уточнена применительно к проекти-
рованию ТО следующим образом.
ЗПР= <£1, К, К 0П>
где Ц ОП ужет определены выше, ТС = (Kt, /<2, ...R -множество
критериев (выходных параметров), до которым оценивается альтерна-
тива на соответствие поставленным целям; М: Q - -> К-модель, позво-
ляющая для каждой альтернативы из множества О, которая может быть
охарактеризована совокупностью аз рибутов (внутренних к внешних
параметров) Х=<х1,х2...,хг>, рассчитать вектор критериев /С.
Фундаментальной характеристикой ЗПР, как, впрочем, любой
проблемной ситуации .является неопределенность.
Применительно к инженерной деятельности неопределенность
находит свое выражение, б частности, в затруднительности, а иногда
и невозможности
• четко сформулировать цели деятельности,
• дать однозначный ответ относительно переченя параметров
и характеристик ТО (критериев А'.) которые определяют его потре-
бительские свойства, и. соответственно, относительно принципа
оптимальности,
• точно охарактеризовать условия, в которых будет функциони-
ровать ТО (внешние параметры х),
получить полную и достоверную информацию о состоянии ТО
при его использовании по назначению, о рабочих процессах взаимо-
действия ТО с обрабатываемой (окружающей) средой,
• предвидеть, как будет развиваться проблемная ситуации, если
это зависит от неподконтрольных и/или неуправляемых факторов:
Недостаток информации,' на основе которой принимается то или
иное инженерное решение, неясность относительно очередности це-
лей которые требуется достичь, вполне могут стать причиной неопти-
мальности и даже ошибочности принятого решения. Иначе говоря, где
имеет место неопределенность, там есть риск ошибиться.
Неопределенность—это когда инженер приступает к проекти-
рованию бурового насоса, но какой насос хороший - ему однозначно
сказать никто не может; это когда вы за рулем автомобиля должны
решить, не имея информации, почему двигатель вдруг «не тянет»,
толи плохой бензин, толи свечи неисправны, толи еще что-то; это
когда вы вызываете мастера, чтобы отремонтировать в офисе ксе-
г 295 -
роке, но а котором часу он придет неизвестно, и вы никак не можете
решить, идти вам обедать или остаться без обеда.
Считается, что термин «неопределенность» ситуации принятия
решения был предложен в 1933 году, его автором был F.Y. Knight.
Однако в квантовую физию/ понятие неопределенности применитель-
но к определению траекторий и импульсов электрона в атоме ввел
В.Гсйзенбарг в 1927 году.
Существуют различные классификации неопределенностей. Так,
в (л. 97) предлагается различать внешнюю, внутреннюю и личную
неопределенности.
Внешняя - связана с факторами, находящимися в слабой зависи-
мости от ЛПР и не управляемыми им. Это, например, неожиданные
изменения в законодательстве, в частности, ужесточающие эколо-
гические требования к ТО, или ограничивающие использование
определенных материалов, это обновление системы стандартов, бан-
кротство фирм — поставщиков комплектующего оборудования и т.д.
К этому следует добавить и очевидные неопределенности, связанные
с погодными условиями, принципиальной невозможностью во многих
случаях получить точную информацию об условиях функционирова-
ния ТО. К примеру, когда проектировался первый советский луноход
и предстояло выбрать способ его передвижения (принцип действия
при реализации функции перемещения по поверхности Луны, если
пользоваться терминологией § 2.1.4) никто не мог не то, что точно,
а даже приблизительно сказать, какие кратеры (в каком количестве,
какой конфигурации и глубины) и как расположенные в районе буду-
щей посадки луноходв встретит он на своем пути.
Внутренняя - определяется факторами, на которые ЛПР может
влиять в существенной мере. Сюда относится количество и качество
ресурсов и средств деятельности по созданию и использованию ТО,
квалификация специалистов, эффективность системы управления на
предприятии, в компании.
Личная, точнее персонифицированная—обусловлена свойствами
характеров экспертов и ЛПР, колебаниями относительно подходов к
достижению целей, сомнениями в выборе и ранжировании по значи-
мости критериев качества ТО, неуверенностью в их количественной
оценке.
В условиях неопределенности эксперты, подготавливающие ре-
шение, и ЛПР вынуждены исходить из своих субъективных оценок
проблемной ситуации и ее возможного развития, представлений о
предпочтительных путях ее разрешения. При этом хороший эксперз
тот, кто ие только компетентен в соответствующих вопросах, но и
-29g-
хорошо представляет себе, в чем состоит специфику субъективизма
ЛПР. В литературе есть примеры, когда сотрудники предлагали своему
руководителю с сильно развитым духом противоречия два прием-
лемых варианта разрешения проблемной ситуации, настаивая не на
том, который нм хотелось, чтобы был принят, а на другом И таким
способом добивались своего.
Итак, еще одной неотъемлемой и потому фундаментальной
характеристикой проблемы выбора и принятия инженерных
решений является субъективизм.
Естественно, во всех случаях, когда неопределенность можно
уменьшить или вовсе «снять» и максимально объективизировать
инженерное решение, соответствушую попытку необходимо предпри-
нять. Рассматриваемые в следующей главе компьютерные системы
поддержки принятия решений как раз и предназначены для этого.
Выше мы рассмотрели схему, иллюстрирующую принятие реше-
ния как процесс. Принятие решения как акт, как завершающий этап
(11-й щаг на рис. 85) может быть описано с использованием схемы
рис 6.
ЛПР принимает решение осознанно и цеденаправлено, у него
есть представление (четкое или не очень - это второй вопрос) о том,
к какому результату (продукту) он стремится, принимая решение, qh
исходит из имеющихся и необходимых для реализации решения ре-
сурсов и средств: ему необходима информация, в частности данные,
позволяющие сравнивать альтернативы, ему требуется интеллекту-
альная поддержка. А что же касается того, как конкретно действует
инженер, как он творит, принимая решение, то ответ на этот вопрос
предполагает «заглядывание в душу человека», как пишет проф.
Е.П. Голубков (л. 32), — но это уже предметная область психологов,
специалистов по мыслительной деятельности людей
Так или иначе, а в акте принятия субъективного решения нахо-
дят свое выражение три составляющих человеческой психики: ум
(интеллект), чувство и воля.
Как утверждается в (л. 32), ум проявляется в использовании
знаний, накопленного практического опыта, логического мышления,
научных методов. С их помощью осуществляется генерация и анализ
вариантов решений. Интуитивное мышление, на основе которого
часто принимаются решение, — это подсознательное мышление,
характеризуемое скрытостью, кажущимся отсутствием механизма
логического вывода. 11 оно также есть проявление интеллекта в при-
нятии решений.
Чувства, эмоциональность проявляется по большем части ц
-297-
предпочтениях экспертов и ЛПР. Каждому инженеру приходилость
сталкиваться с ситуацией, когда решение принимается по принципу
«нравится - не нравится» вопреки, казалось бы. здравому смыслу. И
нередко именно этот подход обеспечивает принятие лучшего решения.
(Решения, в основе которых лежит неосознанный выбор, импуль-
сивность, порыв, случаются в инженерной практике так же, как и в
других видах человеческой деятельности, хотя, думается, реже, чем,
например, в искусстве, но не они представляют интерес для методо-
логии инженерной деятельности и к предмету книги отношения не
имеют).
Воля, волевой настрой ДПР также является существенным фак-
тором, усугубляющим субъективный характер выбора и принятия
решения.
В § 1.1.3 мы говорили, что сложность решаемой инженером задачи
нередко связывается с так называемым энтропийным сопротивлением
среды, то есть сопротивлением людей (отдельных лвд, организаций),
исповедующих принцип «от добра добра не ищут», изменению ста-
бильной ситуации. Нс чувствуя наличия необходимиой энергии для
преодоления этого сопротивления, инженер подчас оказывается от
варианта решения, которое другой инженер, обладающий большей на-
стойчивостью, более сильной волей, примет и успешно реализует.
Саму по себе субъективность инженера - ЛПР в принятии реше-
ний ни в коем случае нельзя рассматривать как его недостаток. Это,
что называется, медицинский факт, с которым надо считаться. Плохо,
когда эта субъективность сочетается с нежеланием знать и учитывать
мнение других специалистов, Выслушать мнения экспертов и решить
по-своему — это одно, нс желать знать, что думают относительно той
или иной проблемной ситуации коллеги, партнеры, люди обладающие
опытом в соответствующих вопросах, - совсем другое.
Признанием объективного характера фактора субъективности
при принятии инженерных решений нарушается фундаментальный
принцип таких наук, как исследование операций, теория оптимального
управления, разрабатывающих методыцоиска объективно оптималь-
ного решения.
Как точно отмечено в (л. 97), эксперты, занимающиеся подготов-
кой для ЛПР приемлемых (допустимых, рациональных) вариантов
решения, сужая, насколько это возможно, их число, должны учиты-
вать предпочтения ЛПР, характерные для него подходы к припятияю
решений, в качестве входных данных. То же касается и систем ис-
кусственного интеллекта, разрабатываемых и используемых с целью
реализовать с их помощью функции экспертов.
-298-
Один из активно развивающихся подходов к учету факторов
неопределенности и субъектиизма в ЗПР — использование математи-
ческого аппарата нечеткой логики.
Еще одной непременной характеристикой проблемы выбора и
принятия решений является многокритсриальность, что отражено
в приведенной выше формулировке ЗПР.
Напомним (см, § 2.1.4), что критерий - это свойство q объекта
X, которое а), оказывает влияние на принятие решения и б), может
быть соотнесено с некоторой шкалой и выражено в соответствующих
единицах (качественных или количественных) в виде (х), Значение
у (х) (в частном случае это число) называется оценкой объекта X по
критерию q.
Один ИЗ возможных и распространенных способов построения
такого показателя (в математике применяют термин—свертки частных
критериев) - использование аддитивного скалярного функционала:
Q = ^0. .q l}, i = 1, п,
где Л. - «весовой» коэффициент, характеризующий значимость
показателя qs, п - количество используемых для оценки ТО частных
показателей качества.
Проектные задачи, связанные с поиском решения, обеспечива-
ющего экстремум Q в условиях ограничения или фиксации на оп-
ределенном уровне ряда характеристик (внешних и части выходных
параметров, например, таких как энергопотребление, присоединитель-
ные размеры), являются одним из вариантов уже рассматривавшейся
нами задачи оптимального проектирования. При этом Q, как функция
внутренних параметров, рассматривается в качестве голевой функции
оптималъного проектирования.
В тех случаях, когда равенство нулю любого из q, автоматически
означает равенство нулю Q, для определения обобщенного показателя
качества применяют мультипликативный функционал
Q = П(^). '
В качестве примера использования подхода, опирающегося при
проектировании бурового оборудования на использование обобщен-
ного показателя качества ТО, приведем рассмотренную в (л, 51) задачу
оптимального проектирования ленточно-колодочного тормоза буровой
лебедки. Эта задача сформулирована следующим образом: требуется
определить оптимальные параметры тормозного шкива (диаметр d,
ширину Ь. толщину обода h,), при которых целевая функция Q, являю-
щаяся взвешенной суммой массы шкива m и величины термоупругих
напряжений а , возникающих в шкиве при торможении:
-299-
принимала бы минимальное значение.
Проблемы, связанные с определением значений весовых коэф-
фициентов, представляют собой трудную, неформальную задачу и
обуславливают постоянный поиск других подходов к построению
целевой функции оптимального проектирования.
Один из таких «альтернативных» подходов опирается на понятие
функции полезности ТО.
Рассмотрим использование функции полезности как одного из
обобщенных показателей качества ТО на примере спуско-подъемного
комплекса (СПК) буровой установки (л. 112).
Воспользуемся для этого формулировкой понятия главного по-
казателя качества этого вида оборудования в (л. 65).
Главным показателем качества БУ, предназначенных для бурения
нефтяных и газовых скважин, явдяется суммарная проходка в метрах
(Л7) за нормативный срок службы установки (7*).
Очевидно, что при прочих равных условиях увеличить М можно
за счет увеличения доли времени pF (р < 1), в течение которого осу-
ществляется собственно бурение скважин, и сокращения времени yF,
затрачиваемого на спуско-подъемные операции при бурении, спуск и
цементирование обсадных колонн, монтаж и демонтаж оборудования,
его ремонт. Следовательно, чем меньше у = 1 - р, тем выше качество
СПК, а поэтому функцией \[/ = 1/у можно характеризовать качество
различных СПК. Эта функция, представляемая в виде
*
хр Т
тспо + Ток+ Па + Тт^То,
где 7 ;it?-среднее суммарное время спускоподъемных операций
(машинных и вспомогательных) при бурении одной типовой скважи-
ны, Т/к - время, затрачиваемое на спуск и цементирование обсадных
колонн при строительстве типовой скважины, Туд - суммарное вре-
мя перебазирования, монтажа и демонтажа СПУ на точке бурения,
То - средняя наработка на отказ СПК их — среднее время восстанов-
ления СПК после его отказа, и есть функция полезности СПК.
Предлагаемый обобщенный критерий Т действительно учи-
тывает важнейшие частные критерии, характеризующие с позиции
потребителя уровень качества СПК', машинное время СПО. степень
автоматизации, долговечность ц безотказность отдельных узлов,
машин и механизмов СПК, их ремонтопригодность, монтажеспо-
собность. При этом указанные критерии объединены не формально,
а в логическом сортвстствии с их реальным влиянием на главный
показатель качества БУ. Однако имеется ряд критериев качества,
которые функция полезности не учитывает. Речь, в частности, идет
о критериях, характеризующих продажную цену, себестоимость
изготовления ТО, затраты на его эксплуатацию. В теории выбора
и принятия решений (л. 18, 62), развивающей методы оценивания
ТО, связанные с функцией полезности, эти экономические критерии
объединяются в один интегральный показатель, называемый иногда
«платой за полезность».
Таким образом, рассматриваемый подход для оценки качества
ТО предполагает использовать не один обобщенный показатель, а
два - «полезность» и «плату за полезность». Они находятся между
собой в таком же соотношении, как и категории потребительной сто-
имости и стоимости, и поэтому принципиально не сводимы к одной
характеристике.
Вернемся к примеру оптимального проектирования ленточно-
колодочного тормоза, чтобы еще раз продемонстрировать существо
подхода, связанного с применением метода функции полезности для
оценки проектных решений, получаемых на рассматриваемых этапах
ко нце пту а л ь но го пр о ектир о вания.
Основное требование к главному тормозу буровой лебедки — это
обеспечение надежного торможения барабана лебедки при соблюде-
нии ограничения на ускорение и динамические нагрузки в элементах
СПК в период его работы и при любом грузе на крюке в пределах
максимально допустимой грузоподъемности.
В соответствии с этим функция полезности для этого ме^низмд
может быть определена как
V = Р,(Т) р2 (Т) Р} (Г).
где Р,(Т), Р,(Т), Р}(Т) - вероятности безотказной работы соот-
ветственно тормозного шкива, ленты с тормозными колодками и ме-
ханизма управления, передающего управляющее движение и усилие
от тормозной рукоятки ленте
Имеются математические модели, позволяющие связать указан-
ные вероятности с конструктивными (внутренними) параметрами
тормоза, которые должны быть установлены, включая, естественно,
диаметр и ширину тормозного шкива, толщину обода. Также может
быть оценена и «плата за полезность», то есть затраты па изготов-
ление, монтаж и эксплуатацию этого механизма в зависимости от
-301 -
тех же конструктивных параметров. Таким образом, уже на стадии
проектирования можно получить расчетные оценки двух основных
показателей качества тормоза буровой лебедки и. сравнивая различные
варианты конструкт орских решений по этому показателю, выбирать
лучшее.
Приведенные примеры с построением функций полезности для
спуско-подъемного комплекса буровой установки и главного тормоза
буровой лебедки, целью которых было показать, как иногда можно
обойти проблему субъективизма в выборе весовых коэффициентов
целевых аддитивных и мультипликативных функций оптимального
проектирования, касаются ТО однозначного предназначения и с явно
выраженной главной потребительской функцией.
Но как только инженер-проектировщик сталкивается с задачей
принятия оптимального решения в отношении многофункционального
ТО, ему опять не избежать процедур ранжирования, «взвешивания»
функций по их приоритетности для потребителя, и субъективный
фактор внрвь выходит на передний план.
Зыше мы заметили, что субъективизм в принятии решений - это
Объективная реальность человеческого бытия в целом и инженерной
деятельности, в частности (исключение составляет, пожалуй, лишь
наука, в которой истины устанавливаются не через принятие решения).
Иногда этот фактор имеет катастрофические последствия, а иногда
становится благом.
Заметим, что и оценка субъективных решений также носит
субъективный характер. Но важно помнить: «победителей не судят».
Весьма интересное рассуждение по этому поводу содержится в
(л. 97.) Вот его суть.
Хорошо известно, что когда однажды армия Юлия Цезаря пе-
ред решительным боем оказалась прижатой к водной преграде, он
приказал сжечь карабли, которые переправили через нее легионы
Тем самым Цезарь дал ясно понять своим воинам, что отступление
невозможно, что у них есть только такой выбор: победа или смерть, А
если бы вместо Цезаря армией командовал Кутузов (предположение
в порядке вне исторического допущения), он, напротив, скорее всего,
приказал бы соорудить дополнительные средства переправы, чтобы
в случае неудачи сохранить остатки армии, выиграть время, чтобы ее
усилить и со свежими силами ударить по врагу. Его стратегия осно-
вывалась на том, что допустить потерю армии нельзя ни прп каких
условиях. Два полководца в одной и гой же ситуации могут принять
противоположные решения и оказаться каждый по-своему правым.
Подобные примеры не редкость и в инженерной деятельности.
-302-
§ 3.2.3 Риски при принятии решений
На вопрос, почему принятие решения - центральная и наиболее
ответственная процедура инженерной деятельности, ответ може г быть
дан такой: ошибочные решения могут оказаться непоправимыми, а
их последствия—трагическими, как для тех, кто ими воспользовался,
так и для тех, кто их принял.
Отнюдь не всегда, сделав неверный выбор, можно вернуться к
исходной позиции и попытаться реализовать другое решение. Как
точно замечено в (л. 59), время течет необратимо, и происходящие со
временем изменения условий и обстоятельств, мотивов и приорите-
тов, могут сильно изменить ситуацию и потребовать совсем других
решений.
Решение, сегодня оцениваемое как замечательное, завтра может
рассматриваться всего лишь как не сам ое плохое, а послезавтра -уже
как ошибочное.
Говоря словами великого баснописца И.Л. Крылова «тому в ис-
тории мы тьму примеров сыщем».
Молодой специалист ошибся, казалось бы, в мелочи, в выборе
модуля зубчатого зацепления, ошибся по неопытности, и если не
раньше, то в первых же испытаниях е;го ошибка будет обнаружена и
исправлена. Весьма вероятно, что ущерб в стоимостном выражении
будет невеликим, и, тем не менее, эта ошибка для начинающего ин-
женера может оказаться тяжелым испытанием. Его деловая карьера
может сильно затормозиться, не он, а другой специалист получит
повышение по службе, или будет направлен на перспективную про-
грамму повышения квалификации.
Практически всегда в работе инженера принятие решения — это
риск (речь, естественно идет не о вычислениях по формулам и других
вполне формализованных задачах, имеются в виду задачи нефор-
мализованные или плохо формализованные, относимые к категории
творческих).
И этот риск желательно уметь правильно, в смысле адекватно,
оценивать, А для этого опять-таки необходимо умение моделировать
проблемную ситуацию и прогнозировать ее развитие.
При подготовке инженеров большое внимание уделяется врп-
росам поиска оптимальных решений, (и мы ниже эти вопросы также
обсудим), но, к сожалению, в тени остаются вопросы качественной
и количественной оценки последствий отклонения от этих решений,
не говоря уже об ошибочных решениях.
-303-
Принципы, на которых строится оптимальный выбор, соответству-
ющие модели и методы рассматриваются самым подробным образом, о
критериях же ошибочности говорят мало. В диагностике, других облас-
тях (системы массового обслуживания), где рассматриваются вопросы
использовании теории статистических выводов в принятии решений,
есть понятия вероятности и риска пропуска дефекта, риска постав-
щика, покупателя и т.д. Предлагаются формализованные процедуры
оценки этих рисков, в том числе в стоимостном выражении Однако в
инженерной деятельности весьма существенную роль играют субъ-
ективные оценки рисков. И неоптимальные решение не провомерно
считать ошибочным в любом случае. Учесть фактор субъективизма в
оценке рисков при принятии решений в задачах многокритериального
выбора помогают нечеткие методы. Применительно к проблематике
нефтегазового производства эти методы подробно рассмротрены в
недавно опубликованной монографии проф. Хургина Я.И. «Пробле-
мы неопределенности в задачах нефти и газа» (Серия «современные
нефтегазовые технологии», Ижевск, ИКИ, 2004).
-304 -
ГЛАВА 3.2.
Параметрическая оптимизация
структурный синтез технических
объектов
Предпочтительные с точки зрения ЛПР проектные решения при-,
пято, как отмечалось выше, называть оптимальными. Процедуры по^
иска, формирования, выбора оптимальных решений - это процедуры,
относящиеся к процедурам синтеза. Синтез оптимальных проектно-
конструкторских, технологических, управленческих решений - одна
из центральных задач инженерной деятельности.
Технические объекты, с которыми имеют инженеры — это слож-
ные системы, а всякая система как комплекс определенным образом
связанных и взаимодействующих элементов, характеризующийся
наличием свойства (эффекта), отсутствующего у отдельных элемен-
тов, имеет свою особую структуру. Связи и взаимодействия элемен-
тов, обусловленные структурой ТО, характеризуются качссгвенно
и количественно через внутренние, р частности, конструктивные и
технологические параметры.
Таким образом, оптимальные проектные решения могут отно-
ситься как к структуре ТО, так и к его параметрам.
В первом случае проектная задача классифицируется как задача
структурного ситеза ТО. во втором случае - как параметрического.
Простейший и известный всем студентам-механикам пример,
иллюстрирующий суть и различие задач стуктурного и параметри-
ческою синтеза, - проектирование соосного зубчатого редуктора при
заданных передаточном отношении и выходной мощности.
Каким должен быть редуктор—одно-, двух- или трехступенчатым,
а может быть планетарным? В решении это1 о вопроса и состоит задача
структурного синтеза.
А когда структура (в данном случае, кинематическая схема)
редуктора выбрана, допустим, признан оптимальны вариант двух-
ступенчатого редуктора, дальнейшие процедуры проектирования,
а именно: разбивка передаточного отношения по ступеням, выбор
модуля зацепления, межосевых расстояний, угла наклона зубцов и т.д.
- все это уже задача параметрического синтеза редуктора.
Построение математической модели функционирования ТО,
позволяющей анализировать зависимость критерия оптимальности от
оптимизируемых параметров конкретного ТО - задача, как правило,
менее сложная, нежели математическое моделирование структуры ТО.
-305-
Перевести привычное вербальное и графическое описание структур
ТО на математический язык удается далеко не всегда.
Поэтому методы параметрической и структурной оптимизации
различаются весьма существенно.
§ 3.2.1 Методы определения оптимальных параметров
Отдельно рассмотрим, как решаются задачи оптимизации выход-
ных, прежде всего потребительских параметров ТО и его конструк-
тивных параметров.
Выходные параметры ТО - это, напомним, параметры, харак-
теризующие в первую очередь его предназначение, его качество,
и они задаются при проектировании как требования, как исходные
данные.
Как определить, для бурения скважин какой глубины должна
проектироваться очередная новая буровая установка? На какую даль-
ность полета и количество пассажиров должен быть рассчитан новый
гражданский самолет? И кто это определяет?
Ответы на эти вопросы зависят от многих факторов и обстоя-
тельств. Частично мы касались их в параграфах, посвященных кон-
цептуальному проектированию и нормированию.
Добавим к сказанному, что к проектированию уникальных ТО
создаваемых в единственном или в весьма ограниченном количестве,
один подход, к проектированию ТО, которые вписываются в сущест-
вующую номенклатуру изделий подобного рода, подход другой.
С младенчества, только начиная входить в мир вещей, мы об-
наруживаем, что их потребительские характеристики, как правило,
укладываются в систему типоразмеров и стандартов. Tie производят
ложки, тарелки, сковордки, обувь, телевизоры, пылесосы, грузовики
и прочее произвольных размеров, мощности, энергопотребления. Их
параметры назначения подчиняются вполне очевидным ограничи-
тельным закономерностям.
Для значительного числа видов ТО установлено, их выходные
параметры должны соответствовать рядам предпочтительных чисел.
Эти ряды определены ГОСТ 8032-84 «Предпочтительные числа и ряды
предпочтительных чисел» и являются геометрическими прогресси-
ями со знаменателем q = (10)'R, где R может принимать значения 5,
10, 20, 40.
Главный параметр буровых установок, определяющий их класс
(табл. 5). - допускаемая нагрузка на крюке - регламентирован согласно
ряду R10.
-306-
1978) и правилом золотого сечения.
Е
Рис. 86. Золотое сечение в геометрии
Еще один тип закономерностей, которые используются при выбо-
ре значений потребительских показателей, связан с так называемыми
числами Фибоначчи (л. Н,Н Воробьев. Числа Фибоначчи. М.:Наука
На рис. 86 показан
квадрат, вписанный в
полукруг, и правильный
пятиугольник, диагона-
ли которого образуют
правильную звезду. В
первом случае отноше-
ние длины отрезков СВ
И АС равно 5+1)/2, Во
втором случае тому же числу равно отношение АР и А£. Это чис-
ло определяет золотое сечение отрезков - пропорцию, известную С
древних времен. Эта пропорция характеризует соразмерность такцх
особых по своей симметрии, уравновешенности, гармоничности форм,
как окружность, квадрат, правильные многоугольники.
Число Фибоначчи образуют ряд, в котором каждый член ряда,
начиная с третьего, представляет собой сумму двух предыдущих. Если
первое число ряда - 1, то ряд Фибоначчи - это последовательность
чисел 1,1, 2,3,5,8,13,21,34,55,89 и т.д. Существует теорема, согласно
которой число Фибоначчи и есть ближайшее целое число к цп/л/5,
то есть к n-му члену qn геометрической прогрессии, первый член
которой есть ц/л/5, а знаменатель равен ц, где ц= (л/ 5 +1)/2 ~ 1,618.
Это число называется числом PHI в честь великого древнегреческого
скульптора Фидия.
В природе обнаруживается множество примеров фибоначчиевых
расположений однородных предметов. Так, на шишках некоторых
хвойных деревьев чешуйки расположены в трех спиралях, пролого
навивающихся на стержень шишки. Они же расположены в пяти
спиралях, круто навивающихся в противоположном направлении.
Хорошо заметны подобные спирали на ананасе: обычно их бывает 8
и 13. Закономерностям ряда Фибоначчи подчиняются формы спира-
левидных морских раковин. Извстно высказывание нобелевского лау-
реата Р.Фейнмана: «Какие чудеса существуют в математике, Согласно
моей теории золотая пропорция древних греков дает минимальное
энергетическое состояние молекулы бутадиена». (А.Стахов и др. Код
Да Винчи и ряды Фибоначчи. Санкт-Петербург, 2006)
Некоторыми философами античности и средневековья внешняя
красота прямоугольников с отношением сторон, близким к 1.618, и
-307-
других фигур, в которых наличествуют фибоначчиевые пропорции,
возводилась в эстетический и даже философский принцип.
И сегодня геометрические параметры таких ТО, как книги,
чемоданы, спичечные коробки, шкатулки, контейнеры задаются в
соответствии с пропорцией золотого сечения. И особенно широко эта
пропорция используется в архитектуре и скульптуре.
Рассмотрим теперь, как оптимизируются конструктивные пара-
метры ТО. Задача решается в следующей последовательности.
Прежде всего, нужно ее четко сформулировать. Это означает,
что необходимо:
1) определиться с критерием оптимальности. Как правило,
инженерные задачи оптимального проектирования являются много-
критериальными, о чем мы говорили выше. Кроме того, на ряд пока-
зателей, например габаритные размеры, вес, приводную мощность,
накладываются ограничения.
В этой ситуации действуют по одному из трех сценариев. Либо
тем или иным способом, чаще всего экспертным, формируется ран-
жированный список частных критериев q, затем из этого списка или
выбирается один критерий Q = q, который следует максимизировать
или минимизировать (extr а в отношении остальных критериев
задаются ограничительные условия < qs <В, или строится
обобщенный критерий оптимальности Q как аддитивная или мульти-
пликативная свертка частных критериев, или критерий оптимальности
задается в виде функции полезности (см. § 3.2.1) и функции затрат
(«платы за полезность»).
2) построить целевую функцию, то есть установить, от каких
внутренних проектных параметров г., которые могут варьироваться
в некотором (допустимом, рациональном) диапазоне Р, зависят зна-
чения критерия оптимальности, и отобразить зависимость О = Qffj,
, г/г) математической моделью.
При наличии ограничительных условий оптимизационная задача
классифицируется как задача условной оптимизации. С помощью спе-
циальных приемов (метод множителей Лагрпанжа, метод штрафных
функций, метод проекции градиента и др.) подобная задача преобра-
зуется в задачу безусловной оптимизации (л. 72).
Заметим, что в формулировке оптимизационных задач все более
широко используется математический аппарат теории нечетких
множеств. В частности, как нечеткое множество может быть задан
диапазон Dr, то же касается целевой функции Q(R), чисел As и В..
После того, как постановка задача согласована и принята (ут-
-308-
верждсна в установленном порядке), решается вопрос о выборе метода
парам етриче ской оптимизации.
В предварительном порядке с использованием эксперименталь-
ных стендов, а также на математической модели проводят исследо-
вательскую работу по оценке влияния каждого отдельного параметра
г на величину Q. Это позволяет получить представления о характере
зависимости в частности, проверить наличие нескольких экстре-
мумов у целевой функции, оценить возможности сужения диапазона
варьирования параметров Dr.
Как было показано в § 2.1.7 математические модели ТО, исполь-
зуемые на этапе оптимизации конструктивных параметров - это, как
правило, системы обыкновенных дифференциальных уравнений или
уравнений в частных производных, граничные условия для которых
задаются алгебраическими уравнениями иди обыкновенными диф-
ференциальными уравнениями. Конструктивные параметры отобра-
жаются в этих уравнениях коэффициентами.
С помощью пакетов математического моделирования маши-
ностроительных CAE-систем (Mathlab, Ansys. Adams и др.) или
специализированного программного обеспечения указанные модели
преобразуются в компьютерные модели, на которых И производятся
исследования целевой функции Q в допустимой части Dr. пространс-
тва параметров (r{, rj путем вариирования соответствующих
коэффициентов уравнений и вычисления Q.
Наиболее употребительными методами параметрической оптими-
зации при автоматизированном проектировании ТО являются поиско-
вые методы пошагового изменения оптимизируемых параметров:
г,... ~r. + zlr,
l(n+l) / Р г
где п - номер шага, а приращения Ат - компоненты вектора ЛЯ,
который вычисляется по формуле
Здесь h - шаг, а .?(Яп) - направление поиска.
Различия в методах параметрической оптимизации связаны со
способами
выбора шага h;
определения направления поиска $(Я);
выбора момента окончания поиска.
-309-
Шаг может быть постоянным по величине, но может быть и пере-
менным: изменяться в зависимости от изменения целевой функции на
каждом шаге. Окончание оптимизации происходит тогда, когда вектор
оптимизируемых параметров находится в е- окрссности некоторого
значения R* па протяжении нескольких шагов.
Подход к выбору направления 5'(Лп) определяет соответствующий
метод параметрической оптимизации. В частности, если это направ-
ление есть единичный вектор градиента функции Q(R), то это значит,
что используется метод градиента и его модификации, например,
метод наискорейшего спуска. Если вначале поиск идет в направлении
изменения одной координаты (одного параметра г при фиксированных
значения других параметров) до достижения максимума (минимума)
целевой функции, а затем изменяется следующий параметр, и так
далее, то речь идет о методе покоординатного поиска (рис. 87).
Определение вектора градиента осуществляется следующим
образом. Задается начальная точка в пространстве оптимизируемых
параметров R и для нее компью-
тер вычисляет значенрие целевой
функции Q(R(). Затем последо-
вательно даются приращение
А 7". параметрам г. (i = 1,2 ,3...),
и для каждого значения г + Аг
вычисляется соответствующее
приращение целевой функции и
компоненты вектора градиента:
Рис 87. Покоординатный метод Л. Q/Дг ~ д Q/ д 1 .
поиска экстремума фу нкцни
А далее каждому параметру
дается рабочее приращение, пропорциональное соответствующей
компоненте вектора-градиента, то есть из начальной точки делается
первый рабочий шаг в направлении
= gmd (QJ
В новой точке пространства параметров R} либо все процедуры
повторяются, то есть параметрам последовательно задаются пробные
приращения и определяется вектор s(Rt), либо, если A Qt = (Q-Q)
> А (А - заданное число) , повторяется рабочий шаг. Во втором
случае метод градиента преобразуется в метод наискорейшего спуска
(крутого восхождения).
Мы не будем здесь останавливаться на тех трудностях парамет-
рической оптимизации, которые связаны с стуктурой функции Q(R),
-310-
конфигурацией отображающей ее поверхности в «-мерном пространс-
тве параметров R, наличием на эпон поверхности оврагов, локальных
экстремумов. Для преодоления этих трудностей используется целый
ряд приемов, одни из которых эффективны в одних ситуациях, другие
- в других. Подробному рассмотрению указанных приемов посвящено
множество книг, в том числе учебников для вузов.
Коротко коснемся параметрической оптимизации в случае ис-
пользования в качестве критериев выбора оптимального варианта
решения функции полезности 4х и «плагы» за полезность S'.
Обратимся к рис. 88, на котором изображена область О в про-
странстве критериев ¥ и S, каждой точке которой соответствует не-
который набор оптимизируемых параметров. Очевидно, что искомый
вариант решения задачи находится среди тех, которым соответствует
выделенный участок (1-2) границы области <2, Действительно, какую
бы точку, находящуюся по отно-
шению к произвольно взятой на
границе точке а, мы не рассмот-
рели, ей соответствуют значения
критериев и S’, которые хуже
значений, соответствующих
точке а. Если же иы выбирем
другую точку на участке (1-2)
- точку в — то окажется, что ей
соответствует решение, лучшее
по одному критерию и менее
удачное по другому
Рис. 88. Парето-оттшальные решения.
Проектные решения, которым соответствует участок (1-2) грани-
цы области О в пространстве критериев называет оптимальными по
Парето или Парето-оптимальными по имени итальянского эконо-
миста-математика Вильфредо Парето (1848-1923 г.г.).
Сузить вес множество альтернативных решений до паретовского
подмножества - к этой промежуточной цели стремятся специалисты
практически во всех случаях, когда перед ними стоит задача парамет-
рического или структурного ситнтеза. И, как мы видим, методология
достижения этой цели достаточно отработана, проектировщику может
быть предложен более пли менее четкий алгоритм действий. Что же
касается окончательного выбора проектного решения из совокупности
Парето-оптимальных альтернатив, то это задача, плохо поддающаяся
формализации и алгоритмизации.
Зачастую ЛПР делает свой выбор на основании привходящих,
одному ему известных обстоятельства и соображений.
-311 -
§ 3.2.2 Математическое и алгоритмическое обеспечение
генерации вариантов решений в задачах структурного
синтеза
Задачи синтеза структур ТО относятся к наиболее трудно форма-
лизуемым. По этой причине в системах автоматизированного проекти-
рования структурный синтез инженер выполняет, как правило, в интер-
активном режиме. Компьютер обеспечивает проектировщику, в первую
очередь, возможность средствами систем CAD/CAE осуществлять конс-
труирование ТО, производить проектные расчеты, дает доступ к базам
типовых проектных решений, описаниям ТО, которые могут служить
прототипами или аналогами, программно-методическим комплексам
верификации проектных решений, унифицированные программные
средства оформления ТЗ и другой проектной документации.
Постановки и методы решения задач структурного синтеза в связи
с трудностями формализации не достигли той степени обобщения и
детализации, которые характерны для задач анализа, математического
обеспечения параметрической оптимизации.
Относящуюся к структурному синтезу задачу принятия решений
(ЗПР) формулируют следующим образом (л. Норенков):
ЗПР= <A,Q,M, ОП>,
где А — множество альтернатив проектного решения. Q — мно-
жество критериев (выходных параметров), по которым ЛПР оценивает
альтернативы, М: А —> Q - множество моделей, позволяющих для
каждой альтернативы расчитать вектор критериев, ОН принцип оп-
тимальности (решающее правило), на основе которого ЛПР выбирает
предпочтительный (оптимальный) вариант структуры ТО.
Каждой альтернативе можно поставить в соответствие сово-
купность атрибутов (парметров, особенностей и т.д.) X = <xt, х,,
х3,... >, которые харакзеризуют ее свойства. При этом.г; может быть
численной величиной того или иного типа (действительной, целой),
кодом, лингвистической переменной (string). В САПР множество
X в зависимости от используемых подходов и моделей проектного
процесса определяют как запись (формирование баз данных), фрейм
(использование экспертных систем, баз знаний), хромосома (в гене-
тических алгоритмах совершенствования структуры ТО).
Модель М называют структурно-критериальной, если среди х
имеются конструктивные параметры, одновременно характеризующие
структуру проектируемого ТО.
Приведем пример, поясняющий особенности структурно-крите-
риальной модели
-312-
кронблок
Рис. 89. Полиспаст
с. подпрулсиненным
механизмом
Поиск путей повышения эффективности работы спуско-подъем-
ных комплексов (СПК) буровых установок (БУ) рождает множество
предложений по внесению изменений в классическую структуру спус-
ко-подъемного механизма, включающего полиспаст с ходовой ветвью
талевого каната, наматываемой на барабан лебедки, и неподвижной
ветвью каната, закрепляемой с помощью специального механизма,
установленного на основании БУ В качестве возможных способов
снижения коэффициента динамичности нагружения деталей и узлов
СПК, повышения долговечности каната не раз предлагалось или «под-
пружинить» механизм крепления талевого каната, или кронблок, или
отдельные, в частности, последний шкив кронблока (рис. 89).
В математические моделях, описываю-
щих динамические процессы в полиспасте
при СПО и представляющих собой систему
дифферециальных уравнений второго по-
рядка, вводимые элементы отображаются
дополнительным уравнением, соответстую-
щим появлению в моделируемом механизме
дополнительной степени свободы. Если
жесткость уругой связи кронблока с крон-
блочной балкой вышки с? (или механизма
крепления каната с основанием вышки) будет
существенно превышать жесткость каната
сА, тогда эту степень свободы можно считать
отсутствующей.
При параметрической оптимизации полистаста с целью миними-
зации коэффиента динамичности в числе других будет варьироваться и
параметр ср. Оптимальное значение с может оказаться соспоставимым
С ск, и тогда мы имеем одну структуру полиспастного механизма, а
может оказаться много большей ск> тогда структура будет иной. Таким
образом, задача структурного синтеза переводится в задачу парамет-
рической оптимизации.
Среди проблем принятия решений в процессе структурного син-
теза в качестве наиболее типичных можно указать следующие:
— компактное представление множества вариантов (альтернатив),
— построение целевой функции и разработка математической
модели структуры ТО в условиях, когда некоторые атрибуты аль-
тернатив описываются лингвистическими величинами, то есть не
формализованы,
- выбор метода поиска оптимального варианта (сокращение
перебора альтернатив).
- 313-
В САПР семантика и форма описания альтернативных вариантов
структур ТО существенно зависит от конкретной предметной облас-
ти. Для формирования и размещения указанных описаний в пямяти
компьютера и обеспечения доступа к ним создаются и используются
специальные информационно-поисковые системы (ИПС). Каждой
альтернативе в ИПС соответствует ее образ, представляющий собой
численные значения атрибутов х, а также ключевые слова вербальных
характеристик (значений лингвистически описываемых атрибутов).
Простейший способ задания множества А — перечисление аль-
тернатив. Однако это возможно лишь при малой мощности А. Поэ-
тому в большинстве случаев это множество задается путем указания
способа (алгоритма или иного набора правил Р) синтеза проектных
решений из ограниченного набора элементов Э и видов (типов) из
взаимосвязей G
Иначе говоря, А = < Р, Э, С>, и процесс синтеза структуры ТО
есть последовательное выполнение следующих процедур:
1) формирование альтернативы А. иди путем нахождения ее с
помощью ИПС из соответствующей базы данных по запросу, или
генерация ее из Э и С в соответствии с правилами Р,
2) построение модели М( выбранной альтернативы А? модели-
рование ее функционирования и оценка по критериям К.
3) принятие решение ЛИР относительно перехода к следующей аль-
тернативе или возможности считать, исходя из ОП, задачу решенной,
Примером задания множества А перечислением альтернатив может
служить представленная в (л. Ашавский, Штсйнбаум) классификаци-
онная схема пздроударных забойных двигателей, предназначенных для
осуществления ударно-вращательного способа бурения геологораз-
ведочных, в том числе нефтяных и газовых скважин (рис. 90). В 60-х
— 70-х - годах в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина (в то время МИНХ
и ГП им. Губкина) под руководством профессоров Э.И. Тагиева и
И.А. Чарного, Всесоюзном научно-исследовательском институте
буровой техники (ВНИИБТ, ныне входящим в группу компаний
ИНТЕГРА), СКВ Министерства геологии проводились работы по мо-
делированию, в том числе с использованием ЭВМ, работы каждого
типа гидроударников и комплексной оценке его эффективности.
По результатам этих работ было защищено несколько канди-
датских и докторских диссертаций (Чарцый И.А., Буяновский И.Н.
Теоретическое исследование гидроударных механизмов. - В кн.: Бу-
рение и крепление скважин. Труды МИНХ и ГП им. И.М. Губкина,
Вып.60,1966, с. 188-194).
-314-
Применением задачах струк-
турного синтеза способа форми-
рования альтернатив алгоритми-
ческим путем проще всего проил-
люстрировать инструкциями по
сборке всевозможных объектов,
имеющимися в детских конструк-
торах, например типа LEGO.
Еще один, свежий для сту-
дентов специальности «машины
и оборудование нефтяной и га-
зовой промышленности пример:
проектирование манифольдов
противовыбросового оборудова-
ния. В этой задаче набор элемен-
тов весьма ограничен - задвиж-
ки, работающие на открытие и
закрытие, в том числе в варианте
дистанционного управления, ре-
Рис. 90 Классификация гидро-
и пневмо- ударников.
гулируемые и нерегулируемые дроссели, обратные клапаны, трубоп-
роводная обвязка с линиями глушения и дросселирования; возможные
маршруты движения промывочной жикости, цементного раствора: из
затрубного пространства к дегазатору, в амбар, наоборот, в затрубное
пространство от цементеровочного агрегата (рис. 91). Правила соеди-
нения элементов просты и определяются необходимостью резерви-
рования исходя из требований по уровню безотказности манифольда
при различных технологических операциях.
К методам формирования вариантов проектных решений из на-
бора элементов по установленным правилам можно отнести метод
морфологического анализа (ММА), впервые предложенного при-
менительно к ТО швейцарским астрономом Ф. Цвикки незадолго до
второй мировой воны.
Для поиска новых технических решений согласно ММА необхо-
димо составить морфологическую таблицу (по другой терминологии
матрицу, морфологический ящик). Эта таблица-матрицаМпредстав-
ляет собой структуру в виде множества конструктивных характеристик
(признаков) или подфункций F., которые должны наличествовать в
ТО, чтобы обеспечивалось выполнение его основной функции, и под-
множества вариантов реализации каждой подфункции или конструк-
тивного признака, Иначе юворя. каждой F ставится в соответствие
строка таблицы, где одна позиция (клетка) Af. - конкретный способ
-315-
Рис. 91. Манифольд противовыбросового оборуаования.
реализации F.. Таким образом, получить вариант проектного решения
-это составить какой-либо набор позиций, по одной из каждой строки.
Максимальное количество таких наборов N определяется законами
комбинаторики: N = п"\ где n, m — соответственно количество строк
и столбцов в морфологической таблице.
Работая во время войны в американской авиационной фирме и
будучи привлеченным к разработке ракетных установок, Ф. Цвикки
составил морфологическую таблицу по 11 основным конструктивным
и функциональным признаков ракетного двигателя и самой ракеты). С
помощью этой таблицы можно было получить 34864 альтернативных
вариантов проектных решений. Как выяснилось позже, в числе этих
вариантов были конструкции, аналогичные конструкциям немецких
ракет ФАУ-1 и ФАУ-2.
Морфологические таблицы сами по себе не определяют способ
выбора предпочтительных альтернаитив и, кроме того, при их состав-
лении проявляется субъективизм тех, кто это делает. Ф, Цвикки счел
исчерпывающим список из 11 конструктивных и функциональных осо-
бенностей ракетной установки, кто-то другой вполне мог расширить
этот список. В (л. 78) приводится морфологическая таблица па изделие
«нож для резания пищевых продуктов». В этой таблице 5 признаков,
первый - материал лезвия. Других принципиальных особенностей
лезвия, например характер заточки, пет, а значит значительное число
-316-
конструктивных решений таблица нс пркрываег. То же самое можно
Сказать и о призере с денежной купюрой, приведенном в (л. 28). В
морфологической таблице основных ее признаков отсутствует одни
из самых главных - способ защиты.
К недоста псам ММА относится также неучет недопустимых по
тем или иным причинам наборов способов Л/„, а также допущение
о взаимной независимости этих способов.
Указанные недостатки частично преодолеваются с помощью
использования многоуровневых морфологических таблиц или их
отображения в виде И-ИЛИ-графов. На таком графе наличествуют
два типа вершин: вершины И - соответствущие конструктивным или
функциональным признакам ТО, и вершины ИЛИ, соответствующие
возможным способам их реализации. Выше мы отмечали фактор субъ-
ективности при составлении морфологических таблиц. Сопоставление
двух или более таблиц позволяет получить их объедение в логическом
смысле (дизъюнкцию), и это объединение наглядно отображается с
помощью И-ИЛИ -дерева (рис. 92).
Поиск проектного решения на И-ИЛИ-дереве осуществляется в
два этаца. На первом этапе сужается область поика за счет удаления из
И-ИЛИ-дерева ИЛИ-вершин (спосрбов реализации функции), которые
заведомо не удовлетворяют требованиям к ТО, содержащимся в то-
ническом задании на проектирование. На втором этапе на усеченном
И-ИЛИ-дереве выбирают приемлемые, а уже из них предпочтительные
варианты решений.
К методам, используемым в САПР и позволяющим в задачах
структурного синтеза
производить сужение
всего множества аль-
тернатив вплоть до
Парето-оптимально го
подмножества, мож-
но отнести эволюци-
онные методы, метод
эталонных моделей,
метод имитационного Рис 92 И_ИЛИ_дерево мернж
моделировании.
Эволюционные методы (ЭМ) и методы имитационного моде-
лирования основаны на статистическом подходе к формированию
проектного решения. Каждый вариант структуры ТО (функциональ-
ной, кинематической, конструктивной) схемы при использовании ЭМ
-317-
определяется или идентифицируется значениями параметров, которые
могут относиться к разным типам величин (целые, действительные,
логические, лингвистические). Эти значения объединяются в запись,
называемую хромосомой. В хромосоме существенно как значение
параметра, так и его место (порядковый номер). Далее, если ЭМ
реализуется как генетический алгоритм, формируется популяция
- исходное множество альтернатив и затем имитируется генетический
принцип ее развития:
вероятностным образом из популяции выбираются по две аль-
тернативы-хромосомы как родители;
производится скрещивание (кроссовер) родительских хромо-
сом;
с помощью компьютерного моделирования новые ТО, определя-
емые хромосомами-потомками, оцениваются по критериям предпоч-
тительности, в частности по значениям функции полезности;
отбираются «хорошие», то есть обладающие улучшенными по
сравнению с родительскими свойствами хромосомы-потомки, и фор-
мируется новое (молодое) поколение хромосом:
далее цикл повторяется, и на основе этого обеспечивается эво-
люционное улучшение хромосом и, соответственно, ТО.
К эволюционным относятся также методы, которые в отличие
от генитических алгоритмов предусматривают использование одной
хромосомы, например, соответствующей аналогу или прототипу
проектируемого ТО. Так., метод дискретнгого локального поиска
основан на случайном измененении отдельных параметров, иначе
говоря, значений генов в хромосоме (эти значения именуются аллеля-
ми). Подобные изменения, то есть мутации обуславливают изменение
значения функции полезности. Если оно увеличилось, мутация сохра-
няется, в противном случае отменяется и более не повторяется.
-318-
§ 3.2.3 Метод эталонных моделей и имитационное
моделирование в структурном синтезе ТО
Метод эталонных моделей является одним из наиболее употре-
бительных при решении задач структурного синтеза.
В (л. 28, 78) используется понятие идеального ТО, то есть та-
кого, у которого нет его материальной основы, но есть его функция.
«В стремлении к идеалу», — говорится в (л. Гасанов) - «ТО должны
ничего не весить, не занимать объема, не потреблять энергии, и при
этом выполнять то, для чего они предназначены».
Существует предположение, формулируемое как закономерность
развития техники и технологий, которое гласит: развитие технических
систем (ТС) идет в направлении повышения их идеальности.
Анализ конструкций буровых установок за последние полвека
полтвержадет данный закон. Чтобы в этом убедиться, достаточно
обратиться к новейшим проектным решениям, связанным с созда-
нием установок, позволяющих бурить скважины с использованием
обсадных труб (рис, 93).
Другая наглядная иллюстрация справедливости указанной законо-
мерности - комплектация современных буровых установок системами
верхнего привода EMIS
фирмы «Tesco>>, в кото-
рых используются легкие
синхронные двигатели с
постоянным магнитом
(при весе 180 кг развива-
ют мощность 450 л.с.).
Как известно, в об-
щем случае в технологи-
ческих машинах нали-
чествуют как минимум
три основных элемента:
генератор механической
энергии, в частности,
двигатель, рабочий ор-
ган. взаимодействую-
щий с обрабатываемой
средой, и передаточный
механизм - трансмиссия,
преобразующая энергию Рис, 93. Буровая установка, способная бурить
генератора и доставляю- скважины обсадными трубами.
-319-
щая ее к рабочему органу (рис. 94). В современных машинах к этим
элементам добавляется система управления каждым из них.
Для того, чтобы машина
была высокопроизводитель-
ной, необходимо при прочих
равных условиях передавать
рабочему органу всю ту мощ-
ность, соторую можно полу-
чить от двигателя. Если это
Имеет место, ТО это идеальный ^4- О&хнцекнсщ схем# машины-
вариант, Тогда в установив-
шемся ржиме работы машины
Л=N + N
й р и
где Np, Nn - соответственно мощность двигателя, мощность,
равиваемая рабочим органом, мощность, расходуемая на трение,
теряемая из-за тепловых потерь, утечек и т.д. Есди генерируемая
энергия - это кинетическая энергия на выходном валу двигателя, что
чаще всего имеет место в технологических машинах, и при работе
машины желательно целиком использовать номинальную мощность
двигателя Л , то крутящий момент на выходном валу Mv должен быть
связан с частотой вращения вала а) зависимостью
а) = N /М.
>Я V
Эта зависимость может рассматриваться как идеальная внешняя
характеристика, или эталонная модель двигателя, в обшем случае
-приводного агрегата (рис. 95).
Подобную характеристику можно
получить, правда, в ограниченном диа-
пазоне значений крутящего момента
и, соответственно, частот вращения
выходного вала, при использовании в
приводном агрегате паровых машин,
двигателей постоянного тока, вен-
тильных двигателей. Двигатели же
внутреннего сгорания, синхронные и
асинхронные электродвигатели имеют
харакп кристнЛа / ip иводи
-320-
характеристику, далекую от идеальной, и трансмиссии, применяемые
В машинах с этими двигателями, содержат механические или автома-
тические коробки передач, турботрансформаторы, вариаторы
Конструтор, владеющий знаниями отноедтсдыю эталонной
характеристики привода, подучает возможность правильно сориен-
тироваться в Поиске решений по согласованию возможностей вы-
бранного по тем или иным соображениям двигателя и особенностей
нагружения рабочего органа, его оптимального функционирования.
Иначе говоря, при наличии эталонной модели ТО, проектировщику
удается существенно сузить исходное множество вариантов проек-
тных решений и целенаправленно вести поиск в достаточно четко
очерченном сегменте.
Рассмотрим применение метода эталонных моделей на примере
проектирования виброударных забойных двигателей для осуществле-
ния ударно-вращательного бурения скважин (л. 5).
Как уже отмечалось в § 2.1.4, и следует из рис. 90, в классе пнев-
мо- и в классе гидроударных машин имеется множество вариантов
конструктивного исполнения. Когда перед конструкторами была
поставлена задача создать пневмоударник для бурения с использова-
нием шарошечного долота скважин диаметором до 500 мм под сваи
в условиях, вечцой мерзлоты, с включением галечника и валунов (в
связи со строительством БАМа), возник вопрос, какая система воз-
духораспредедения является все же лучшей.
Подобные пневмоударники никто в мире ранее не проектировал и
не испытывал, поэтому использовать чей-то опыт не представлялось
возможным. Сконструировать, изготовить и испытать пневмоударники
с различными системами воздухораспределения, и выбрать наилуч-
ший вариант в принципе было можно, но ни в отведенные сроки,
ни в утвержденный бюджет проекта уложиться было никак нельзя.
Был другой путь: построить для каждого альтернативного варианта
математическую модель и с помощью компьютерного моделирования
детально проанализировать ее, оценить эффективность по заданному
критерию, а затем сопоставить результаты анализа и выбрать опти-
мальную систему. Временные рамки позволяли идти по этому пути
а фонд заработной платы - нет.
Выйти из положения удалось с помощью метода эталонных
моделей.
Еще раз подчеркнем, что само понятие -эталонная модель - под-
сказывает, что смысл метода состоит в использовании в структурном
и динамическом синтезе некоторых эталонных схем воздухораспрс-
деления, то сеть в максимальной мере отвечающих представлениям
-321 -
проектировщиков о наилучшем варианте, дающих предельно дости-
жимые значения критерия оптимальном ги.
Вернемся к рис. 29 (§ 1.2.6) и обощенным уравнениям движения
бойка.
Назначение влброударной машины - генерировать силовое им-
пульсное (ударное) воздействие породоразрушающего инструмента
(долота) на поверхность забоя скважины. Поэтому кинетическая бойка
в момент его удара по наковальне, жестко соединенной с долотом,
является критерииальной характеристикой. Однако ударные натрузки,
передаваемые долотом на породу, не лучшим образом влияют на долго-
вечность самого долота. Поэтому на максимальную величину ударного
импульса /м И (/» - масса бойка. И, - его скорость в момент соударения
С наковадьней) оказывается необходимым ввести ограничения.
Кроме того, важно, чтобы отскок бойка от наковальни при ударе
был бы минимален, ибо понятно, что если боек отскакивает со ско-
ростью, равной по абсолютной, величине скорости в момент удара
И, то это аналогично полному’ отражению света от поверхности:
упругая волна продольной дефформации в наковальне не возникнет.
Установлено, что при близости веса бойка и его длины с весом и дли-
ной наковальни с долотом, отскок бойка и отраженная энергия удара
оказываются близкими к нулю.
Поскольку используются серийные долота, ориентировочные
значения веса бойка и его длины проектировщику известны, и ему
нужно так спроектировать систему воздухораспределенпя, чтобы
при соблюдении ограничения на скорость соударения Г,, < УГП[игЛ>п
обеспечивалась максимальная производительность пневмоударника.
Приводом для пневмоударника является компрессор, у которого на
выходе за счет ресивера поддерживается стабильное давление. Что-
бы отбирать от компрессора максимально возможную мощность и
преобразовать ее в мощность ударного воздейс гвия на забой, нужно
максимизировать частоту ударов бойка.
Виброударная машина - автоколебательная система, движение
бойка является периодическим. Характер этого движения целиком
определяется действующей на него периодически изменяющейся
силой, то есть периодической функцией F (х. v) .
Очевидно, что оптимальной структуре воздухораспределения
соответствует оптимальный закон изменения F (х, v). Эту функцию
можно называть функцией управления пли просто управлением и
обозначить, как принято в теории оптимального управления, через
U(x, v). При этом следует замети гь, что в качестве синонима управля-
ющей функции используется понятие синтезирующей функции.
-322-
Не будем приводить здесь все выкладки, связанные с определе-
нием с помощью математического метода, именуемого принципом
максимума Понтрягина, оптимального управления. Представим лишь
оптимальный график изменения F (х, v) как функции времени на от-
резке < , tn + Т> , 1дс - момент соударения бойка с наковальней,
Т-период автокалебанпй, обратно пропорциональный частоте ударов.
Этот график и можно рассматривать как эталонную модель системы
воздухораспределения пневмоударника. Зная F (х, 0, конструктор име-
ет возможность определить предельные значения энергии и частоты
ударов, выбрать ту систему воздухораспределения, в которой давления
И камерах пневмоударника изменяются во времени и в зависимости
от положения бойка наиболее близким к F (х, и) образом.
Fn/m
/=>т=-В(1 +/2(1-ня8)-к);
ЕДп
В (л. 5) подробно показано, как ведется поиск структуры пневмо-
ударника, которая позволяет получить выходные параметры, близкие
к показателям эталонной модели.
Переходим к еще одному методу моделирования, используемому
в структурном синтезе ТО. Это метод имитационного моделиро-
вании. Рассмотрим его так же, как и метод эталонных моделей, на
конкретном примере.
В настоящее время в мире широко развернуты научно-исследова-
тедьские и конструкторские работы по созданию автоматических буро-
вых устройств, буровых роботов, предназначенных для эксплуатации
в экстремальных условиях, например, при подводном исследовании
шельфа морей и океанов.
Требования, предъявляемые к надежности технологического
процесса таких устройств и установок, ограничения по габаритам,
весу, установленной мощности ставят перед конструктором проблему
поиска или выбора такого решения, при котором бурение скважины
на заданную глубину Н* (с отбором или без отбора керна) будет с
заданной вероятностью безотказного проведения технологического
процесса осуществляться в течение времени Т, не превышающего
-323-
допустимое Т*, а затрачиваемая при этом энергия Е, вес и габариты
установки будут минимальными. По сути дела речь идет о типичной
в проектировании проблеме оптипизации по многим критериям.
Общеизвестно, что расход энергии при бурении скважины зави-
сит от очень многих факторов - крепости и структуры горной породы,
способа бурения и параметров режима, способа и интенсивности
очистки забоя от выбуренной породы и т. д.
Для определенности ограничимся случаем проектирования
установки, предназначенной для бурения неглубоких скважин диамет-
ром до 150 мм механическим способом, в условиях, когда крепость
горных пород может быть любой в диапазоне 1 < f < 18 по шкале
проф. Протодьяконова.
В данной ситуации у конструктора имеется следующий набор
основных альтернативных решений:
а) по способу бурения: вращательный, ударно-вращательный,
ударный;
б) по типу породоразрушающего инструмента: шарошечное и
алмазное долото, лезвийная коронка;
в) по способу очистки забоя скважины: пневматический, гидрав-
лический, шнековый, комбинированный;
г) по способу отбора керна: задавливание, обуривание.
Предположим, что, руководствуясь стремлением иметь малогаба-
ритную мобильную установку возможно меньшего веса, конструктор
принимает решение отказаться от шарошечного долота, посколь-
ку оно недостаточно эффективно при малых осевых нагрузках, и
останавливается на лезвийной коронке в качестве породоразрушаю-
щего инструмента.
Выбор способа бурения и следовательно решение вопроса
об основных функциональных узлах установки очевидно должно
обосновываться исходя из того, чтобы гарантировать выполнение
технологической задачи проходки скважины в заданном регионе при
минимуме энергетических затрат.
Здесь представляется возможной следующая схема рассуждений,
обсуждение которой и составляет цель данной работы:
1. Каждому из указанных выше способов бурения ставятся в
соответствие функциональные зависимости
а2> а4' - а,)
(а];а2; а; ... а),
В указанных зависимостях IV-мощность, потребная для разру-
шения горной породы и очистки забоя скважины, (или ее основная ком-
понента — мощность привода вращения); v - механическая скорость
-324-
бурения; at - вектор параметров режима бурения (осевая нагрузка,
частота вращения инструмента, энергия и частота ударов и т. д.);
- вектор параметров, характеризующих породоразрушающий
инструмент; а} - вектор параметров, определяющих способ и интен-
сивность очистки забоя; а4 - вектор параметров, характеризующих
свойства горной породы,
2. Так как а4 вектор случайных величин, то и v(t), и являются
случайными функциями. Случайной функцией является, очевидно,
и время Т проходки скважины заданной глубины Н*. а также энер-
гетические затраты, подсчитываемые по формуле
т
Е(Т) = J W(t)dt;
о
3. Активно управлять значениями Ти Е, и, в частности, пытаться
минимизировать энергетические затраты (в смысле минимизадци.
математического ожидания этого показателя бурения и эффектив-
ности буровой установки) конструктор может, по-видцмому, двумя
основными путями:
- управлением вектором параметров режима бурения а4 в рамках
одного способа бурения;
- предусматривая в конструкции возможность оперативного
перехода с одного способа бурения на другой, то есть, реализуя бу-
ровую установку как многопрограммную с резервированием средств
технологического процесса;
4. В целях выявления возможностей управления Величиной Е в
заданном регионе при выполнении исходных требований относитель-
но времени бурения скважин конструктор проводит на компьютере
машинный эксперимент, используя метод статистических испытаний
(Мрнте-Карло).
В этом эксперименте с помощью программ генерации случайных
чисел с заданным законом распределения имитируется характерис-
тика горных пород одной скважины, например, в виде зависимости
(рис. 96). которая отображает возможное для рассматриваемого реги-
она распределение крепости породы/и интервалов h с относительно
постоянным значением f по глубине скважины.
5. Далее имитируется бурение подобной скважины. Вначале,
например, принимается, что осевое усилие F* и частота вращения
бурового инструмента п* близки к тем максимальным значениям,
которые смогут быть реализованы в проектируемой установке, а
затем рассматривается бурение только одним способом, для которо-
-325-
го значения v(t); W(t) подсчитываются по соответствующим этому
способу формулам.
Допустим, что на этом этапе рассматривается вращательный спо-
соб бурения. Результаты машинного эксперимента на одной скважине
могут быть следующими:
а) Т>Т*, и, следовательно, поставленная задача оказалась невы-
полненной;
б) Т< Т*, и, следовательно, поставленная задача в данном случае
выполнена.
Затем эксперимент повторяется, jjq уже для другой конкретной
реализации f(h) (то есть для другой скважины), и вновь сопоставля-
ются значения Т и Т*.
Проанализировав итоги «компьютерного бурения» л скважин,
можно оценить вероятность Р(Т<Т*) выполнения поставленной
технологической задачи в данном регионе с помощью только враща-
тельного способа бурения.
б. Если эта вероятность приемлема, конструктор оказывается
перед следующей проблемой выбора. Либо, например, предусмотреть
в конструкции установки лишь вращательный способ бурения и по-
пытаться оптимизировать энергетические затраты за счет управления
характеристиками приводам режимом бурения, либо все-таки иссле-
довать, к каким результатам в смысле величины Е(Т) можно прийти,
если в данном регионе бурить скважины, комбинируя различные
способы бурения, например вращательный, ударно-вращательный,
ударный и при благоприятных результатах, соответствующим образом
конструировать буровую установку.
В том случае, если вероятность Р(Т<Т*) окажется приемлемой,
решение конструктора будет более определенным: в конструкции
буровой установки необходимо предусмотреть возможность бурения
скважин различными способами, буровая установка должна быть
многопрограммной.
В указанной проблеме выбора имеется ряд неформальных момен-
тов. Это касается, в частности, и выбора того предельного уровня
вероятности Р*(Т<Т*), который определяет решение об одно- или
многопрограммности буровой установки, и выбора самого значения
Т* при составлении технического задания Немаловажное значение
могут иметь соображения сложности и надежности установки. Мето-
ды оптимизации проектных решений при использовании критериев
сложности развиты в настоящее время недостаточно, а сами эти
Критерии связан^] с формированием шкалы сложности, что является
неформальной задачей .
-326-
Рие, 96 Эталонная характеристика
привода
Допустим, Что в результате первой имитационной процедуры,
которая была выше описана, конструктор привял решение о проек-
тировании многопрограммной установки.
Далее проводятся следующие компьютерные эксперименты.
Опираясь на имеющийся опыт, конструктор предварительно
задается той составляющей мощности W*, которая должна быть
затрачена на разрушение горной породы, а затем имитирует первую
скважину, которую нужно пробурить, в виде реализации случайной
функции f(h) (рис. 96).
Принимая для определен-
ности, что бурение будет начато
вращательным способом, можно
по вышеприведенным зависимос-
тям для расчета, соответствую-
щим данному способу, вычислить
мощность W (t), фактически
расходуемую на разрушение, а
также затраты энергии при вра-
щательном бурении.
В некоторый случайный мо-
мент времени t} значение f может
измениться таким образом, что величина И7 окажется большей, чем
w'-
В этот момент времени в компьютерной модели будет прекращено
чисто вращательное бурение и начато бурение ударным или ударно-
вращательным способом. Подсчет фактической мощности, идущей
на разрушение горной породы, и скорости будет производиться по
формулам, соответствующим этим способам бурения.
Обозначим через и И7уд - мощность, характеризующую буре-
ние ударно-вращательным и ударным способом соответственно.
Может оказаться, что и Ww , и в новых условиях превышает
величину * Это будет означать, что предварительно принятое
значение И7 * не позволяет вести бурение в данной скважине любым
из имеющихся способов и, следовательно его нужно увеличить. Если
же И^Дили <№*, бурение будет осуществляться дальше.
Необходимо подчеркнуть, что компьютер для любого значения
f вычисляет по соответствующим формулам значения, V/ ; и
сопоставляет их между собой и со значением И7;*.
При этом имитация бурения, то есть вычисление глубины скважи-
ны и времени проходки осуществляется для того способа, для которого
значение мощности 1Р< * а механическая скорость наибольшая.
-327-
Имитируя бурение скважин в регионе путем разыгрывания в
компьютерной модели различных зависимостей /(h) в рамках ха-
рактерного для данного региона закона распределения /и h можно
обосновать выбор величины W*, исходя из вероятности выполнения
поставленной задачи Р(Т<Т*).
Общим, очевидно, является подход, при котором заранее от-
носительно величины И7* никаких предположений не делается, В этом
случае на компьютере оценивается время проходки всех разыгрыва-
емых скважин при условии, что бурение их в каждом характерном
интервале h. ведется тем способом, который обеспечивает наибольшие
значения скорости v(t). Наряду с вычислением Г для каждой скважины
определяется и запоминается максимальное значение мощности JV axt
которое оказалось потребным для бурения до заданной глубины Н.
Затем из всей совокупности результатов, включающих п пар значений
W w jx выделяются те, которые удовлетворяют условиям
Г< Т*; W,,ma<W*
где Т*; W* - предельно допустимые значения.
Пусть число таких реализацийр. Тогда величинар/и может слу-
жить выборочной оценкой вероятности
Р(Т, W)=P(T<T*; W<W*).
Анализ зависимости Р(Т, W) от Г* и И7* позволяет более обосно-
ванно задавать в техническом задании на проектирование буровой
установки значения этих показателей.
Следует отметить, что если ^-установленная мощность, напри-
мер, привода вращателя инструмента, то вероятность P(W<W*) по
существу представляет собой показатель технологической надежности
проектируемой буровой установки.
Такова в принципе идея применения имитационной модели при
проектировании рассматриваемых буровых установок.
-328-
ГЛАВА 3.3,
Эвристические методы в принятии
инженерных решений
§ 3.3.1 Существо, роль и место эвристики в инженерной
деятельности
По легенде Архимед, найдя, наконец, объяснение, почему в воде
не всегда тонут предметы тяжелеее воды по своему удельному весу,
воскликнул «Эврика!» — что значит «я нашел» (в смысле догадался).
Решения, найденные интуитивно, по ассоциациям, на основе
опыта, аналогий предчувствий, догадок и т.д., то есть не формально-
логическим путем, относят к эвристическим. (Эвристика - сказано
в л. энцикл. Киб. - «в широком смысле слова раздел психологии,
раскрывающий природу мыслительных операций человека при
решении различных задач независимо от их содержания». Другие
значение термина — одна из сторон творческой деятельности, мето-
дология генерирования новых идей, способ обучения, развивающий
активность, находчивость.
В целенаправленной деятельности человека эвристический
подход является доминирующим, так как формальные правила
для определения наилучших в каком-либо смысле действий, как
было показано выше, почти всегда неизвестны. Изобретение есть
по-преимуществу эвристический продукт,
Вряд ли найдется инженер, который не мог бы привести пример
из своей жизни, когда мучимый поиском решения какого-то вопроса,
он находил его неожиданно, с ощущением озарения, и совсем не в
той плоскости, в которой искал.
Со времен Архимеда люди сумели выявить в эвристическом по-
иске решения проблем некоторые общности, которые формулируются
сегодня как эвристические методы.
Известно несколько десятков эвристических методов, использо-
вание которых помогает и даже позволяет решать сложные проблемы,
возникающие в многообразной человеческой деятельности.
Пока еще не разработана научная классификация эвристических
методов. Однако в основе всех этих методов лежат две фундаменталь-
ные методологические конструкции: принцип и правило.
Методологический принцип - это руководящая, главенствующая
идея для выполнения определенной методологической деятельности.
Методологическое правило-рекомендация, предписание, разрешение
-329-
или запрет на выполнение деятельностной процедуры, операции,
предметного действия.
Конкретизированное, упорядочное множество целенаправленных
методологических правил - рекомендаций и предписаний - это уже
метод. В л Попов эвристические методы определяются как после-
довательцоеть определенных, не- или частично формализованных
предписаний или процедур по обработке информации, выполняемая
с целью поиска инженерных решений.
С позиций философии творческой деятельности человека к числу
главных методологических принципов, заложенных.в эвристических
методах, относится принцип кодирования-декодирования, о котором
уже упоминалось в § 1.2.3. Его суть состоит в том, что содержание,
смысл проблемы выражается посредством кодов-репрезентантов,
переводящих ее в более общую плоскость, за пределы соответствую-
щей предметной области, а декодирование раскрывает репрезентанты
под новым углом зрения и относит выражаемое ими содержание к
той области знаний, где наличествуют подходы к моделированию
проблемы.
Примером кодов-репрезентантов являются категории, собиратель-
ные и наиболее общие понятия, системы классификаций, тезаурусы,
системы объектов, содержащие общие инваританты (морфизмы,
синонимы, аналоги, прототипы), способы вывода нового знания на
основе изменения степени общности утверждений или отнесения их
к иной предметной области (дедукция, индукция, традукция).
Оперирование с кодами-репрезентантами позволяет реализовы-
вать следующие три группы методологических приемов продуциро-
вания идей:
• формулирование проблемной ситуации и постановка задачи
ее разрешения в более или мкксимально общих кодах или при ши-
рокой интерпретации кодов;
• противоположные действия - конкретизация кодов, поиски
конкретных примеров;
9 использование кодов, ассоциативно связанных с проблемной
ситуацией.
При использовании приемов первой группы от частной цели
переходят к цели более высокого уровня; проблему анализируют и
оценивают под другим углом зрения. При этом условия задачи на-
стоящего времени могут экстраполироваться на будущее; если речь
идет о проектировании и конструировании ТО, то решаемую задачу
формулируют на уровне предельно общего физического принципа
действия.
-330-
Приемы второй группы - это генерация идей на основе индуктив-
ных и традуктпвных размышлений: в контексте задачи ведется поиск
и интерпретация аналогов, художественных образов, синонимоми-
ческих понятий, моделей близких по тем или иным характеристикам
проблемных ситуаций
Третья, группа приемов это по сути дела метод проб и ошибок,
когда решение ищется на основе случайного, но организованного
определенным образом поика приемлемой идеи.
Следует заметить, что в реальной жизни инженер, перед которым
стоит неформальная творческая задача, редко задумывается, каким
из указанных приемов следует воспользоваться. Уже после того, как
решение найдено, то есть post factum он может попытаться осмыслить
тот путь, который привел его к успеху. Кроме того, нередко оказы-
вается, что этот путь - комбинация приведенных приемов или даже
использование трех приемов вместе.
Приведем известный, ставший хрестоматийным пример эвристи-
ческого решения инженерной задачи - задачи Мцкулина (л. 78)-
Будучи еще молодым человеком А.Мцкулин — впоследствии ака-
демик, конструктор авиационных двигателей—ломал голову по поводу
довольно часто случавшихся помрлок магнето, главного механизма
в системе зажигания самолетных моторов начала XX века. Это была
одна из острых проблем, стоявших перед авиаторами того времени, так
как указанные поломки являлись причиной многих авиакатастроф.
Решение пришло к нему неожиданно: по его словам, он шел по
улице и увидел огромного мужика с подбитым, полностью заплыв-
шим и ничего не видящим левым глазом. И Микулин, глядя на этого
мужика, в буквальном смысле увидел решение задачи, которая его
не оставляла. Решение выражалось одним словом - резервирование.
Микулин помчался к знаменитому летчику С. Уточкину и в его гос-
тиничном номере состоялся короткий диалог.
М.: У людей два глаза, так? Подбейге левый - выручит правый.
У.: Но я ни кому не собираюсь подбивать левый глаз, правый,
впрочем, тоже.
М.\ На вашей машине одно магнето - поставте два!
У.: Замечательная идея. После каждого благополучного показа-
тельного полета я буду платить тебе по 10 рублей. Идет?
Подобные полеты тогла были платными, и Уточкин честно вы-
полнял взятое на себя обязательство.
Если задаться вопросом, как работало подсознание Микулина,
увидившего мужика с поврежденным глазом, то можно предполо-
жить, что эта неожиданная встреча дала импульс к осмыслению
-331 -
волновавшей его проблемы не в понятиях (кодах), связанных с
особенностями конструкции магнето, а в понятиях безотказности
и надежности. Произошел выход за пределы узкой предметной об-
ласти или пространства конструкций магнето. А решение задачи в
пространстве надежности технических систем уже легко находится
и оказывается в сущности тривиальным: это понятый людьми много
веков назад принцип резервирования. В данном случае имело место
неосознанное использование эвристического приема. Свою роль в
этом мыслительном процессе морда сыграть и ассоциативная связь
«два глаза — два магнето».
В § 2.1.2 приведен пример с решением проблемы неудовольствия
сотрудников низкой пропускной способностью лифтов в их офисном
здании. Это также типичный пример применения эвристического ме-
тода. Автор принятой к реализации идеи посмотрел на проблему не
как конструктор, а как психолог - и решение тут же быдо найдено,
Необходимо еще раз подчеркнуть, что правила (рекомендации,
советы, предписания), которые составляют существо эвристического
приема, носят методологический характер, то есть они не дают прямо-
го и однозначного ответа относительно решения задачи, но отвечают
на вопрос как и в каком направлении вести этот поик. Иначе говоря,
эвристический прием сам по себе не приводит к искомому реше-
нию задачи, а служит лишь подсказкой в поиске. И поэтому одному
инженеру некоторый прием может помочь, а для другого окажется
бесполезным
Практика показывает., что опытные изобретатели пользуются оп-
ределенными наборами, или фондами «своих», наработанных годами
эвристических приемов».
Попытка систематизировать и объединить эти фонды, предпри-
нятая рядом методологов в области инженерной деятельности, увен-
чалась созданием в 70-80-х годах прошлого столетия межотраслевого
фонда эвристических приемов (л. 28, 78). Существенную роль в этой
работе сыграл детальный анализ истриии выдающихся изобретений,
оказавших заметное влияние на развитие техники и технологий.
Данный фонд — открытая система, и в настоящее время он со-
держит более двухсот эвристических приемов, которые объединены
в несколько групп (л. Половинкин). В основу структуризации фонда
(рис.97) положен принцип преобразования пространства поиска ре-
шения проблемы.
Многие эвристические приемы, содержащиеся в фонде, приводят-
ся в различных учебных курсах, практических руководствах и методи-
ческих пособиях по проектированию и конструированию, в част ности,
-332-
Рис. 97. Структура Фонда эвристических приемов.
в капитальном двухтомнике П.И.Орлова «Основы конструирования»
(л. 75) - настольной книге не одного поколения конструкторов.
Сцосцб поиска новых технических решений, основываю-
щийся на использовании межотраслевого фонда эвристических
приемов определяется в методологии инженерной деятельности
как метод эвристических приемов.
Далее мы приведем примеры эвристических приемов из указан-
ных на рисунке структурных групп. Но прежде коснемся еще одного
аспекта эвристического поиска инженерных решений.
Описанная выше встреча Мигулина и мужика с заплывшим глазом
была случайной. При обсуждении способов разрешения конфликта
сотрудников с администрацией офисного здания из-за низкой про-
пускной способности лифтов тот, кто нашел эффективное решение,
мог отсутствовать, и неизвестно, как бы в этом случае повернулось
дело.
Фиксируя этот фактор случайности в приведенных примерах,
мы можем предположить, что неплохо было бы уметь провоцировать
подобные случайности, иначе говоря, идти навстречу тем событиям
или тем обстоятельствам, которые могут способствовать эффективной
эвристической работе мысли.
Большинство инженеров-конструкторов подтвердят, что немалую
пользу в их практике приносит регулярное просматривание самых
разнообразных информационных источников патентных каталогов,
-333-
V ТОМ числе по разделам, не относящимся к области их деятельности
и даже не смежным с нею, научных и научно-популярных журналов,
всевозможных рекламных проспектов, материалов различных кон-
ференции и симпозиумов. И, безусловно, чтение художественной
литературы. Нс обязательно высокой. Это и фантастика, и детективы,
и юмор, и даже кулинарные книги.
Цель состоит не только и не столько в том. чтобы «быть в курсе
дела». Стимулирует это' зацятие, кажущееся со стороны праздным,
подспудная надежда, а вдруг (а по-русски говоря, авось) что-то из
прочитанного или увиденного натолкнет на нужную мысль, пробудит
или активизирует творческую фантазию.
Библейское правило, гласящее, что «имеющий уши да услышит,
имеющий глаза да увидит», а также родительские и педогогические
наставления насчет того, что надо уметь смотреть «дальше собс-
твенного носа», подвигают людей, в том числе и инженеров, к тому,
чтобы сознательно раширять то, что обозначается словом кругозор.
Расширять рамки профессии, обогащаться междисциплинарными
научными и инженерными знаниями.
Кроме этого, важное, а иногда решающее значение в эвристичес-
кой работе имеет общение. Плодотворным может быть обсуждение
проблем с друзьями, коллегами, руководителем, причем обсуждение,
специально не организованное.
Но, как доказано практикой, вероятность нахождения эффектив-
ного и ориганильного решения проблем, как правило, существенно
повышается в условиях организованного коллективного творчества.
В современной науке широко используется фундаментальное
понятие когерентности, означающее согласованность, синхронизацию
поведения различных взаимодействующих объектов и процессов.
Это понятие известно школьникам и студентам из курса физики.
Они знают, что лазерный луч - это вид когерентного излучения, то есть
излучения, возникающего подобно цепной реакции при синхронном
испускании атомами вещества фотонов одной и той же частоты.
Когерентные, кооперативные состояния представляют высоко
организованную форму природных и технико-технологических про-
цессов, и свойство когерентности играет важную роль в синергетике
как свойство, характеризующее возможности понижения энтропии
системы и ее самоорганизации.
В социогуманитарных исследованиях, в частности социальной
психологии, когеретность характеризует модели и алгоритмы пове-
дения людей, в которых существенную роль играют кооперативные,
корреляционные связи.
-334-
Общеизвестный метод кооперации людей для интенсификации
их творческой активности, повышения продуктивности их эвристи-
ческого поиска решения различных проблем метод мозговой атаки
и его модификации, по сути дела есть способ вовлечения людей в
koi грешный творческий процесс.
-335-
§ 3.3.2 Употребительные эвристические приемы и методы
Вернемся к рис, 97 и приведем взятые из различных источников
конкретные примеры эвристических приемов (ЭП). указывая на их
принадлежность соответствующим группам.
Известно более дюжины ЭП, относящихся к группе «преобразо-
вания в пространстве», в том числе такие:
• «изменить направление действия рабочей силы или среды?),
• «заранее расставить необходимые для использования объек-
ты так, чтобы они могли быть задействованы с удобного места и без
затрат времени на их доставку».
Вот задана, иллюстрирующая, как можно воспользоваться этими
приемами. Снятие гипса, накладываемого при переломах, непростая
процедура. При распиливании повязки нередко случается порез кожи,
разбивать ее тоже опасно - можно провредить еше слабо сросшиеся
кости. Как избежать и того и другого? Проблема решается следующим
образом. Тонкую проволочную пилу помещают в заранее приготовлен-
ную смазанную трубку, например из полиэтилена, и перед гипсовани-
ем размещают на теле так, чтобы она оказалась под повязкой (второй
из приведенных выше ЭП). Тогда можно будет распиливать повязку
от тела наружу (первый ЭП), не рискуя травмировать пациента.
К группе «технологические преобразования» относятся эврис-
тические приемы:
• «разделить объект на части, после чего изготовлять, обраба-
тывать, грузить и т.п. каждую часть отдельно, а затем выполнять
сборку»,
• «представить объект в виде составной конструкции, изготовить
его из отдельных элементов и частей».
Именно эти приемы был использован при конструировании
системы воздухораспределения пневмоударника, изображнного на
рис. 56. Проблема, связанная с невозможностью на заводе-изгото-
вителе высверлить в центральной воздухораспределительной трубке
отвсрсития требуемой длины, была решена путем замены этой детали
сборочным узлом, состоящим из двух деталей, к заменой сверления
фрезерованием.
Еще один широко известный пример эвристически найденного
решения - задача Яблочкова. Как известно, П.Н. Яблочков в 1S75
году сконструировал электрическую свечу, в которой меду двумя
угодными стержнями, выполнявшими функцию электродов и распо-
ложенными на одной прямой пли под небольшим углом навстречу
друг другу, создавалась и поддерживалась электрическая дуга. По
-336-
мере постепенного сгорания электродов их надо было сближать по
возможности с постоянной скоростью, для чего в конструкции были
предусмотрены специальные автоматические регуляторы. Они были
соложны, громоздки и малонадежны, и это сдерживало практическое
применение изобретения.
Многочисленные попытки усовершенствовать конструкцию ре-
гуляторов, которые предпринимал Яблочков, были безуспешны. И вот
как-то раз он сидел в одном из парижских кафе и в его поле о зрения
попали два карандаша, рядом лежавшие на одном из столиков. В тот
же миг, как пишет сам Яблочков, к нему пришло решение задачи:
от регуляторов надо избавиться совсем, а электроды, разделенные
выгорающим в электрической дуге изолдяционным материалом,
расположить не навстречу друг другу, а параллельно.
Если бы фонд эвристических проемов существовал во времена
Яблочкова, и он. изучая его, натолкнулся на такие приемы из группы
«преобразование в пространстве» , как
• «перейти от контакта в точке к контакту пр линии; от контакта
по линии к контакту по поверхности; либо все наоборот»,
• «изменить традиционную ориентацию объекта в пространстве
(горизонтальную заменить вертикальной, повернуть низом вверх,
повернуть вращением и т.д.)», он, возможно, додумался до решения
раньше.
Эвристический прием из группы приемов «количественные
изменения»:
• «увеличить в объекте число одинаковых или подобных друг
другу элементов (или сделать наоборот); изменить число одновремен-
но действующих или обрабатываемых объектов, например, рабочих
машин, их рабочих органов, двигателей и т.д., ведет к идее роторных
машин (роторный экскаватор, проходческий щит).
Лежащий в основании этой группы закон диалектики о переходе
количества в качество реализуется приемом
• «резко изменить (в несколько раз, на один или несколько по-
рядков) выходные параметры».
Струей воды под давление 10 МПа размывали грунт, увеличение
давления до 100 МПа позволило струей воды резать металл.
К группе эвристических приемов «преобразование нагружения»
относится прием
’ «заменить трение скольжения трением качения».
П ример его использования-решение следующей задачи (л. 78). В
опытном образце прецезионного станка подача инструмента осущест-
вляется с помощью винтовой пары. При испытаниях было установле-
-337-
но. что заданная точность обработки деталей нс выдерживается из-за
деформаций, которые возникают по причине слишком большого, в
3-4 раза превосходящего допустимый, момента, который требуется
для вращения вала винтовой лары. На ралу и гайке сделали винтовое
пазы и заполнили их шариками, как в подшипнике качения. Дефор-
мации существенно уменьшились, и требуемая точность обработки
была обеспечена.
По-видимому, приведенных примеров достаточно, чтобы убедить-
ся, что благодаря систематизации эвристических приемов, созданию
межотраслевого фонда ЭП, а в компьютерном исполнении этот фонд
правомерно именовать банком ЭП, инженеры-проектировщики по-
лучили важное подспорье в поиске эффективных решений конструк-
торских задач. Всякий раз, когда инженер сталкивается с проблемой,
решение которой ему не очевидно, полезно обратиться к указанному
банку как банку подсказок или советов с тем, чтобы можно было
максимально широко обозреть возможные варианты дальнейших
действий.
Рассмотрим теперь более подробно метод мозговой атаки (иногда
именуемый методом мозгового штурма).
Этим методом люди пользовались с древнейших времен, ни о чем
таком це подозревая. Человек - существо социальное, и понимание
необходимости в определенных ситуациях коллективного поиска ре-
шений, организации совместного обсуждения проблем с соблюдением
некоторых правил, даже самых простейших, когда один говорит, а дру-
гие терпеливо слушают и не перебивают, в человеческом обществе су-
ществует, по-видимому, столько, сколько существует само общество.
Во времена великих географических открытий, в мореплавании
сформировалась общепризнанная норма организованного поиска
решений в экстремальных ситуациях (шторм, пираты, эпидемия и
т.д.). Согласно ей капитану судна в подобных условиях полагалось
провести корабельный совет с участием всей команды с тем, чтобы
на этом совете каждый мог высказать свои соображения по поводу
возникших проблем. Первыми слово имели право взять младшие по
чину—юнги, матросы, затем старшие — боцман, старпомы. Последнее
слово оставалось за капитаном.
Но лишь в середине 20 века к выработке эффективных правил ко-
операции людей в поиске решения творческих задач стали подходить
с научных позиций как к общеметодологической проблеме.
Пионером в этом направлении оказался американский морской
офицер Л. Осборн, командовавший в годы второй мировой войны
небольшим транспортным судном. Одна?кны ему по радио сообщили,
-338-
что за судном охотится немецкая подводная лодка. Он, соблюдая тра-
диции, собрал команду на палубе, сообщил об угрозе и оросил кажого
подумать и высказаться, как действовать в создавшейся ситуации.
Один из младших матросов предложил, чтобы все матросы встали
вдоль борта, к которому будет приближаться торпеда, и дружно дули
в ее сторону, чтобы, говоря дословно, «отдуть ее в сторону».
К счастью атака лодки на судно не состоялась, и все обошлось.
Но А. Осборну запомнилась показавшаяся многим бредовой идея
насчет «отдуть». Вернувшись на базу, он по разработанным им на
обратном пути эскизам изготовил вентилятор, создающий мощный
направленный поток воды, и этим вентилятором в одном из рейсов
действительно увел в сторону от судна вражескую торпеду.
После войны А. Осборн опубликовал ряд работ с изложением
своих идей относительно эффективного способа организации кол-
лективного поиска решений сложных проблем. Способа, который
он назвал мозговой атакой. Им же была основана школа подготовки
рационализаторов и изобретателей.
В настоящее время метод мозговой атаки (МА) и его модифика-
ции широко используются в самых различных сферах человеческой
деятельности.
Прежде всего, различают методы прямой И обратной мозговой
атаки (соответственно МПМА и МОМА).
МПМА используют тогда, когда более или менее четко сформу-
лирована цель, которую желательно достичь, и известно то главное,
что мешает ее достижению. МОМА применяется с целью выявления
максимального числа недостатков существующих или проектируемых
ТО и нахождения способов их устранения.
Отличия в целях, на которые ориентированы методы МА, обус-
лавливают и отличия в технологиях проведения предусмотренных
этими методами сеансов МА. Что касается творческой группы,
которая должна осуществлять мозговую атаку, то подходы к се фор-
мированию в каждом методе совпадают.
Лучше всего включать в группу 8-10 человек. Но можно прово-
дить МА и с тремя участниками, и с 12-15 участниками. В проектных
организациях, управленческих структурах, как правило, складывается
постоянное ядро группы, в которое входят сотрудники, креативные
по натуре, проявившие себя как генераторы идей, коммуникабельные,
ориентированные на сотрудничество, в необходимой мере тадеран-
тные и, что особенно важно, обладающие чувством юмора. Этих
сотрудников привлекают в группу для решения методом МА самых
различных задач.
-339-
Кроме них к участию в МА приглашаются и другие лица. Их ко-
дичество, профессии, интересы, увлечения, личностные особенности
определяются в каждом конкретном случае отдельно в соответствии
с содержанием и характером решаемой проблемы.
Эффективность МА как эвристического мегрда решения проблем
обеспечивается синергетическим механизмом кратного усиления эв-
ристического потенциала людей за счет образования многомерного
и нелинейного пространства произвольных ассоциативных связей,
возникающих в коллективе при условии, что его члены настроены
на совместную творческую работу, имеют различные профессии,
интересы, свое видение тех или иных проблем и ситуаций.
Обычно МА состоит из двух фаз: генерации идей и их последу-
ющей оценки Нередко участники МА разбиваются на две подгруппы
- первая создает банк идей, вторая проводит их экспертизу.
Инициатива по организации МА, как правило, исходит от руко-
водителя подразделения или творческого, в том числе и временного,
межведомственного коллектива, которому поручена работа, сопря-
женная с решением серьезных проблем.
Опыт практического использования метода МА свидетельствует,
что
• число специалистов в соответствующей предметной области
нр должно превышать половины состава группы,
* в группе желательно участие и мужчин, и женщин,
• полезно привлекать для коллективной работы в группе смеж-
ников-работников не впрямую, нр косвенно связанных с решаемой
проблемой (это могут быть и конструкторы, и технологи, ц испыта-
тели, и специалисты по логистике и др.),
• креативный потенциал группы усиливается при участии в
группе «свежей головы»,, или «человека со стороны» — далекого по
своей профессиональной деятельности и хобби отрешаемой пробле-
мы.
Первостепенную роль в обеспечении результативности МА играет
ведущий, которым чаще всего бывает руководитель ядра творческой
группы.
Ведущий осуществляет оперативное управление МА, предостав-
ляет слово участникам, следит за тем, чтобы ни одна из высказанных
идей не осталась без внимания других участников, чтобы все идеи
были зафиксированы должным образом, чтобы во время работы не
возникало пауз, чтобы обсуждение нс оказывалось однонаправленным,
узким, приземленным. Он обязан пресекать па корню любую крити-
ку озвученных идей, сколь ни фантастичными и пс реализуемыми в
-340-
Следующая процедура - выбор случайным образом имен сущест-
вительных, желательно не связанных впрямую с ТО - фокусом. Самос
простое, взять эти слова из книги, газеты, журнала. Затем каждому из
имен существительных ставится в соответствие список признаков, в
частности, прилагательных, характеризующих его свойства, и после
этого данные признаки переносятся на фокус. Например, выбранные
случайным образом существительные - это карандаш, простыня,
тепловоз. Карандаш деревянный, круглый, цветной, удобный; про-
стыня синтетическая, из хлопка, белая, полуторная, мятая: тепловоз
мощный, скоростной, двухсекционный, с прожектором. Если теперь
эти признаки связать с дампой, то словосочетание деревянная лампа
может натолкнуть на мысль предусмотреть в дизайне лампы детали
из дерева, соответствующие общему интерьеру кабинета или офиса.
Словосочетание лампа с прожектором также дает интересную идею
о регулировании зоны освещенности и мощности сетового потока.
Существуют компьютерные программы, поддерживающие метод
фокальных объектов.
В ряде эвристических методах и приемах акцент делается пре-
имущественно на психологической поддержке творческого процесса.
Так, разработанная под руководством В.А. Моляко система методов
КАРУ С (аббревиатура от слов комбинирование - ацалогизирование
-реконструирование-универсальность - случайность), рекомендует
использовать в комбинации определенные психологические воздейс-
твия на человека, находящегося в творческом процессе, Воздействия,
направленные на усиление сосредоточенности, активизацию памяти,
восприятие информации. В их числе поручение искать решение задачи
в условиях дефицита времени, ограничение доступа к информации,
и, наоборот, стимулирование с помощью специально сообщаемой
человеку информации (например, о неудачах конкурентов).
Эвристические методы, от которых мы вели речь выше, - это
лишь наиболее употребительные из тех, которые используются в
инженерной деятельности.
Рассматриваемая далее теория решения изобретательских задач,
опирается на эти методы, как на одну из составных частей ее фун-
дамента.
-343-
§ 3.3.3 Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ)
Название параграфа - это официальное наименование научно-
практического направления по разработке и применению эффекгиенцх
методов решения творческих задач, генерации новых идей и решений
в технике и других областях человеческой деятельности (л. 95).
Конечно ясе, соединение понятий теории - категории науки,
подразумевающей построение системы логически связанных дока-
зательных утверждений, использующих формализованные понятия,
аксиоматику и т.д. и изобретательства не вполне корректно, и, на
наш взгляд, более подходящим было бы употребление категории
методологии. Но создатель ТРИЗ Генрих Саулович Альтшуллер,
опубликовавший свои первые работы по рассматриваемому направ-
лению долвека тому назад, стремился подчеркнуть, что технические
Системы развиваются по объективным, познаваемым законам, которые
проявляют себя при изучении больших массивов научно-технической
информации и истории техники. Некоторые из этих законов были
рассмотрены намин § 2.1 5.
Анализ огромного количества авторских свидетельств и патентов
повзволил определенным образом систематизировать изобретатель-
ские идеи, найти общности в подходах к поиску решений инженерных
задач и представить их как своего рода стандарты.
Для описания указанных подходов потребовалось ввести целый
ряд специальных понятий, создать особую символику для схема-
тического изображения изобретательской задачи, а также правила
оперирования с используемыми символами.
Ключевыми понятиями ТРИЗ являются техническое и физичес-
кое протиеоречения, присущие ТО в целом, а также его отдельным
составляющим - подсистемам, узлам, агрегатам.
Техническое противоречение устанавливается, формулируется в
так называемой изобретательской ситуации — ситуации, когда осозна-
ется необходимость найти способ удовлетворения той или иной чело-
веческой потребности с помощью ТО, улучшить его потребительские
характеристики. Понятие изобретательской ситуации является в ТРИЗ
синонимом понятия административного противоречения, состоящего
в том, что «надо что-то сделать, чтобы ТО был лучше, но что именно,
и возможно ли в принципе - неизвестно»
Техническое противоречение состоит в том, что при улучшении
известными способами какого-либо одного свойства, показателя,
неприемлемым образом изменяется другое свойство или другой по-
казатель. Например, буровикам желательно иметь буровые насосы,
-344-
принципе они нс казались. Это запрещено при МА категорически.
Запрещаются также любые проявления скепсиса, неодобрительные и
ироничные комментарии по поводу того или иного предложения.
Ведущий должен уметь создавать и поддерживать атмосферу
доброжелательности, эмоционального комфорта. Чем больше смеха
и шуток во время коллективной работы, чем менее «зажаты» и озабо-
чены тем, что скажут что-нибудь нс то, участники, тем продуктивнее
проходит МА.
Вместе с тем практика показала: чтобы создать необходимую
для активизации творческой работы участников МА атмосферу,
одних талантов ведущего недостаточно. В этом деле имеют значение
многие факторы - правильный выбор помещения (обстановка слу-
жебного кабинета начальника на участников МА нередко действует
угнетающе), вовремя и со смыслом организованные перерывы, раз-
меры вознаграждения (премии, гонорары, другие виды поощрений)
участникам МА
Кроме того, немаловажное значение в обеспечении продуктив-
ности МА имеет специальный тренинг, организуемый для творчес-
кой группы. Цель тренинга — с одной стороны, отработать технику
прведения МА на учебно-тренировочных задачах, а с другой стороны,
настроить участников на МА, дать необходимый импульс для того,
чтобы каждый участник включился в коллективный творческий
процесс.
Развитием метода МА является метод синектики (МС), предложен-
ный американским методологом У.Гордоном. В переводе с греческого
синтектика-соединение разнородных объектов. Соответственно, идеи
решения инженерной задачи при использовании МС генерируются по
этому принципу. Участники творческой группы - синекторы - должны
обладать развитым метафорическим мышлением, профессионально
оперировать с четырьмя типами аналогий. А именно:
• прямой аналогией, предполагающей нахождение решения
путем погружения в иные предметные области (биология, синергетика,
микромир и т.д.) и попытки увидеть там желанную подсказку,
• субъективной аналогией, или эмпатией, предполагающей оду-
шевление проблемной ситуации (например, динамические нагрузки
в бурильной колонне, возникающие при торможении вала лебедки,
можно объяснять «незнанием» долота, забойного двигателя, утяже-
ленных бурильных труб низа колонны, о манипуляциях бурильщика
наверху, их «замедленной реакцией» на его действия),
• символической аналогией, родственной поэтическим об-
разам, предполагающей парадоксально? сочетание казалось бы
-341 -
противоположных по смыслу понятий-антонимов (например, город
- доменные джунгли, оглушительная тишина, старая дева),
• фантастической аналогией, предполагающей обращение к
сказочным образам, образом ИЗ мира фантастики (избушка на курьих
ножках, скатерть-самобранка, человек-невидимка и т.д.).
Решение инженерной задачи группой синекторов (обычно 4-6
человек) осуществляется в несколько этапов. Первый этап (проводит
ведущий методом вопросов и ответов) уточнение формулировки
задачи по принципу «проблема как она дана», второй этап (прово-
дится по методу МА) - исключение из рассмотрения тривиальных
идей решения, последующие этапы - генерирование и поиск идей,
основанных на принципе «от необычного к обычному» («от невозмож-
ного к возможному»), формулирование задачи «так как она понята» с
обозначением основных препятствий ее решения (технологических,
сырьевых, энергетических и т.д ), применение МА для поиска раци-
ональных идей преодоления этих препятсивий.
Сложная структура процедур синектики плюс психологическое
напряжение, сопутствующее организации и проведению МА. делают
МС труднореализуемым.
Коротко остановимся еще на одном эвристическом методе - ме-
тоде фокальных объектов (МФО), связанном с именами Ф. Кунце
(Германия, 1926 г.) и Н. Вайтинга (США, 1958 г).
В отличие от МС, этот метод весьма прост и дает широкие воз-
можности поиска новых инженерных идей.
В МФО поиск решения инженерной задачи осуществляется путем
генерации случайных ассоциаций, С помощью специальных процедур
знания из самых различных предметные областей — технических,
экономических, гуманитарных и т.д фокусируются (отсюда название
метода) на решаемой проблеме, в частности, объекте проектирования.
Возникающие при этом случайные сочетания понятий, терминов дают
толчок для поиска нового смысла, а затем новой формы, принципа
действия, структуры, содержимого.
Фокус - эго ключевое слово, выражение, которое определяет
существо проблемы (например, является наименованием ТО, причем
не обязательно общепринятым). Выбор фокуса есть первая процедура
МФО. Допустим, надо спроектировать настольную лампу. Прила-
гательное «настольная», если его воспринимать буквально, сразу
ограничивает варианты поиска решения, поэтому для правильного
формулирования фокуса, иногда полезно отказываться от привычных
определений. В данном! случае точнее будет фокус определить выра-
жением «лампа для письменного (или рабочего) стола».
-342-
рассчитанные на высокие давления в нагнетательной линии. Однако
повышение этого показателя ведет к нежелательному росту массы и
габаритов как гидравлической, так и приводной части насоса.
Каждое техническое противоречие соответствует определенному
Конфликту между ТО и внешней (в частности, обрабатываемой) ере-,
дой, либо между отдельными частями, элементами ТО, нестыковке
их по т?м или иным характеристикам.
Причиной технического противоречсния нередко является фи-
зическое противоречеиие - это предъявление к ТО, его элементу,
состоящие противоположных требований. Пример: хорошо, когда го-
родской автобус вместителен с просторным салоном, то есть большой,
с другой стороны, хорошо, когда он маневренен, легко вписывается в
крутые повороты на перекрестках, то есть малогабаритный.
При анализе ТО, обобщении результатов его использования по
назаначению, как правило, выявляется не одно техническое про-
тиворечие (ТП). В этой ситуации важно уметь выделять и точно
формулировать главные ТП. Их устранение и составляет существо
изобретательской задачи.
В рассмотренном нами в § 1.2.1 примере проблемной ситуации,
возникшей в офисном здании в связи с очередями к лифтам, боль-
шинство участников мозговой атаки техническое противоречение
видело в том, что надо увеличить пропускную способность лифтов,
но это связано с непомерными затратами. Когда же было понято, что
проблема состоит, прежде всего, в утомительности ожидания лифта,
выход из трудного положения был найден: надо как-то скрасить это
ожидание, и острота проблемы сразу будет снята.
Инженерные задачи в ТРИЗ различаются по сложности. Уста-
новлено пять уровней сложности.
Задачи первого уровня сложности могут быть решены известны-
ми и даже очевидными конструкторскими способами, в частности,
по аналогии, по прецеденту, и в э гом смысле они не содержат такого
технического противоречия, для устранения которого требуется что-
либо изобрести
Рассмотрим следующую ситуацию. Вы - студент, проживающий в
общежитии. В комнате вместе с вами живут еще два студента. Ложась
спать, вы любите немного почитать, но свет от бра, установленного
над вашей кроватью, все-такп мешает друзьям. А ломпочка в бра итак
малой мощности. Как быть? Задача как будто бы элементарна, и вам
советуют воспользоваться ночным фанариком с узконаправленным
лучом света. Но вас это не устраивает: держать фонарик неудобно,
ставить некуда.
-345-
Теперь задача уже может быть отнесена ко второму уровню
сложности. Техническое противоречие налицо, и для его разрешения
необходимо перебрать несколько, возможно, дееяюк вариантов. Одно
из возможных решений вы находите в Интернете. Оказывается, можно
заказать специальные очки с любыми, в том числе и нулевыми диоп-
триями: в широкие душки очков встроены миниатюрные фонарики
Для задач третьего и четвертого уровня сложности характерно
внесение существенных и даже кардинальных изменение в ТО, в его
функциональную структуру, принципы действия, облик.
Пример изобретения четвертого уровня приводится в (л, 28):
для контроля износа вооружения буровых долот предложено вмон-
тировать в корпус долота ампулы с резко прахнущим веществом, как
сигнализатором износа, например, с этил меркаптаном (авторское
свидетельство 165559).
Пятый уровень сложности инженерных задач соответствует
ситуации, когда создается новый класс ТО и технологий. Пример;
лазеры, порошковая металлургия, мобильные телефоны, нанотехно-
логии и т.п.
Для каждого уровня сложности, в том числе и для пятого, в ТРИЗ
выработаны соответствующие рекомендации. К их числу относятся
использование вышеописанных, эвристических приемов, анализ
возможности использования различных физических и химических,
биологических и физиологических эффектов^, пространственных
(геометрических) преобразований ТО, обращение к разработанному
Г.С. Альтшуллером (л. 3) и его последователями фонду типовых при-
емов устранения технических противоречий и, наконец, применение
специального алгоритма решения изобретательских задач (АРИЗ).
Изучение и освоение ТРИЗ безусловно обогощает инженера,
способствует более продуктивной организации его творческого мыш-
ления, помогает направить его в нужное русло. В частности, ТРИЗ
фокусирует внимание инженера на том, что не все элементы, подсис-
темы ТО имеют отношение к выявленному техническому противоре-
чию. Очень часто удается выделить все два звена, во взаимодействии
которых и проявляется ТП. В ТРИЗ выделение конфликтующей пары
и концентрация внимания инженера-изобретателя на ней рассматри-
вается как переход от изобретательской задачи к ее модели. И этот
' в (л. 95) имеется краткое описание более 350 известных в науке физических
эффектов, составляющих часть фонда физических эффектов, который реализован
в виде соотвегсгвущие базы данных.
-346-
факт служит для нас еще одной иллюстрацией исключительной роли
и места моделирования в инженерной работе как ключевой среди
базовых и профессиональных иженерных компетенций.
Укажем на еще одно фундаментальное понятие ТРИЗ — «вещес-
твенно-нолевые ресурсы» (ВПР). Под веществом в ТРИЗ подразу-
мевают любой материальный объект, использующийся в ТО, под
полем — наличие воздействия одних элементов ТО на другие или
взаимодействия ТО с окружающей (обрататываемой) средой, обмен
энергией или передача энергии от элемента к элементу. ТО, которые
можно описать как два взаимодействующих элемента (узла, агрегата),
называются веполями.
ВПР различают по видам, ценности, источникам, степени при-
способленности применению.
Поясним эти понятия на приведенных в (28) примерах.
Вещественные ресурсы. Ддя восстановления изношенных
венцов больших зубчатых колес, используемых в поворотном ме-
ханизме экскаваторов, их помещают в специальную форму и под
большим давлением сжимают нерабочие части венцов. Металл
из этой зоны выдавливается в зубцы и увеличивает их размеры.
Затем излишки металла удаляются с контактных поверхностей
шлифованием. Вещественный ресурс Здесь — металл нерабочей
части венцов.
Пространственные ресурсы
Под ресурсами этого вида понимают свободное пространство,
полости, поры, «пустоту», которые можно использовать при решении
изобретательской задачи.
Простейший пример—бытовая отвертка со сменными насадками,
которые размещают в полости, сделанной в ее рукоятке.
Временные ресурсы Один подвид этих ресурсов - совмещение
во времени различных функций. Пример - комплекс механизмов ав-
томатизации (точнее механизации) спуско-подъемных операций на
буровых установках (АСП), обеспечивающих совмещение операций
свинчивания, развинчивания свечей с движением ненагруженного
элеватора. Другой - использование фактора времени и естественных
процессов для желательных изменений в работе ТО. Известно, что
поверхности нередко очищают с помощью песка. Для этого исполь-
зуются даже специальные пескоструйные машины. Техническое
противоречие состоит в том, что песок одновременно загрязняет ок-
ружающее прос гранство, п его удаление—отдельная проблема. Выход
из положения — использовать вместо песка сухой лед. Он выполнит
свою функцию, а затем растает.
-347-
Энергетические ресурсы. Здесь речь идет о возможностях по-
лучения дополнительного или нового эффекта от использования
рассеиваемой при работе ТО энергии, а также энергии естественных
природных источников. Примеры общеизвестны. Геракл очистил Ав-
гиевы конюшни, разобрав их стены и направив в них воды рек Алфея
и Пенея, которые смыли нечистоты, накопившиеся за многие годы.
Попутный нефтяной газ практически весь еще недавно сжигался в
факелах, сегодня значительная его часть вновь закачивается в пласт
для интенсификации нефтедобычи.
Функциональные ресурсы связаны с возможностями: а) найти
дополнительное применение основной функции ТО (гвоздь в качестве
крючка для одежды) и б) обеспечить выполнение ТО дополнительных
функций (зонтик-трость, шариковая ручка с фонариком на ее проти-
воположном конце),
Информациднныересурсы- Поясним, 0 нем идет речь на примере
арбуза. Всякий покупатель арбуза пытается тем или ным способом
определить спелость предлагаемого ему продавцом плода (ягоды, как
утверждают специалисты). Та же проблема стоит и перед фермерами,
выращивающими арбузы. Неспелые арбузы не продашь, перезрелые
быстро портятся.
Сухость хвостиков, цвет арбуза, как показала практика, слабо
коррелируют со степенью спелости Но известно, что твердость ко-
журы впрямую связана с нею.
Но ведь не будешь оценивать трердосто арбуза по Раквелу
или Бренелю. Как быть? Оказывается, что чем спелее арбуз, тем
меньшим электрическим сопротивлением он обладает. И этот факт
становится тем самым информационным ресурсом, заключенным
в самом объекте, использование которого позволяет решить про-
блему.
По целому ряду ТРИЗ пересекается с другой методологией
креативной инженерной деятельности, именуемой функционально-
стоимостным анализом (ФСА). Эта методология была предложена
Л. Майлзом в 1961 году (Miles L.D. Techniques of value analysis and
engineering- McGraw-Hill. New York 1961).
Как указано в (л. 37), целью ФСА как заранее заданной развет-
вленной стратегии проектирования изделия является поиск путей
снижения себестоимости изделий в проектных и производственных
организациях при одновременном повышении качества продукции.
ФСА предполагает реализацию следующего план действий.
1. Назначить консультанта или группу консультантов для обуче-
ния исполнителей методу ФСА и контролирования их работы.
-348-
2. Установить определенные стандарты на технические характе-
ристики и показатели качества изделия,
3. Составить подробную калькуляцию себестоимости всех тех-
нологических операций и расходов на приобретение материалов и
комплектующих изделий,
4 Сформировать из исполнителей несколько комплекных бригад
и предложить каждой бригаде для каждой детали, узлу изделия вы-
полнить последовательно следующие четыре работы:
а) идентификацию элементов, их функций, стоимости и цен;
б) поиск наиболее дешевых альтернатив;
в) отбор функционально приемлемых элементов ТО более низкой
стоимости;
г) офрмление выбранного варианта изменения конструкции ТО
5. До того как приступить к производству изделия пониженной
стоимости, представить результаты ФСА на одобрение
а) консультантам по ФСА;
б) научно-техническому совету конструкторского бюро (пред-
приятия);
в) администрации.
Особо необходимо подчеркнуть, что один из фундаментальных
принципов ФСА состоит в том, что начинать надо не с существующей
цены каждой детали, а с рыночной стоимостью каждой функции.
На рис. 98 указанный план действий представлен в виде алго-
ритма.
-349-
Рис 98. Алгоритм <рСА.
-350-
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Методология инженерной деятельности вполне подходит под
крылатое утверждение Козьмы Пруткова насчет того, что «ттельзя
объять необъятное». Поставленная в конце последней страницы книги
жирная точка, увы, не дает автору ощущения завершенности работы.
И лишь мысль, что добавление двух-трех глав или более подробное
рассмотрение каких либо вопросов вряд ли бы изменило это ощуще-
ние, его успокаивает.
И все-таки хочется еще раз подчеркнуть: время, когда вузовское
инженерное образование было ориентировано на воспроизводство
специалистов как функциональных элементов человеко-машинных
технологических комплексов различных отраслей промышленности,
уходит, если уже не ушло. Ценность выпускника вуза как молодого
специалиста определяется, прежде всего, тем, каков он как личность,
и умеет ли он делать по работе то, что нельзя или неэффективно пору-
чить кому-то другому, а уж тем более роботу, включая компьютер.
Автору представляется, что нынешний выпускник технического
вуза на заданный самому себе вопрос, насколько он сформировался
в вузе как специалист, в чем он компетентен, должен быть готов от-
ветить так: я
1) представляю себе возможные ипостаси своей будущей работы,
2) понимаю цели деятельности инженеров в каждой из этих
ипостаси, содержание решаемых задач, их взаимосвязь и взаимо-
обусловленность,
3) знаю, какой инструментарий существует и необходим при
этом инженеру, знаю, что из этого инструментария инвариантно и
что специфично для моей предметной области,
4) умею использовать этот инструментарий, иначе говоря, в той
или иной мере владею им,
5) представляю себе, как организована инженерная работа, как
будет устроено мое будущее рабочее место, каким по содержанию и
форме должен быть продукт моей работы, как и кем будут использо-
ваться результаты моей работы.
Если сложить в стопку все конспекты лекций по общеинженер-
ным и специальным дисциплинам, которые прослушал студент, все
рекомендованные ему учебники и учебные пособия, то в совокупности
в них, безусловно, есть тот материал, который необходим, чтобы он
мог так ответить. Но чтобы получить целостное представление о
приобретенных в вузе компетенциях указанный мат ериал надо свести
воедино, обобщить.
Своим курсом и настоящим учебным пособием автор попытался
помочь ему в этом.
-351 -
ЛИТЕРАТУРА
I. Агеев В. Семиотика.-М.: «Весь мир». 2002,
2. Алехин В.В. Инженерно-технический труд и творчество как предмет
философского анализа. - Докт диссертация. Донецк, 1982. 335 с.
3. Альтшуллер Г. С. Творчество как точная наувд.— М.: Cqb. Радио,
1979. 184 с.
4. Аристов А. II., Волков П. И., Дубицкий Л. Г. Ремонтопригодность
машин / Под ред. д-ра техн, паук проф. П. Л. Волкова. — М.: Машиностроение,
1975. — 368 с; ил.
5. Ашарскмй А. М-, Вольлерт А. Я., Шейибаум В. С. Силовые импуль-
сные системы. М: «Машиностроение», 1978.—-200 с: ил.
6. Ашавский А.М., Вольперт А.Я., Цолюшкмн А.А., Шейибаум В.С.
К исследованию динамики гидроподъемного механизма буровой установки непре-
рывного спуска и подъема инструмента - Известия выспдгх учебных заведений
«Нефть и газ», Баку, 1977, № 8 - 105 с.
7. Бабаев С. Г. Надежность нефтепромыслового оборудования, -М.:
Недра, 1987, —264 с.
8. Ваграмов Р. А. Буровые машины и комплексы; Учеб, для вузов — М_-
Недра. 1988.— 501 с: ил.
9. Базров Б. М., Таратынов О.В., Клепиков В.В. и др. Проектирование
технологий машиностроения на ЭВМ; Учебник для вузов / Под Таратынова
О.В. — М.: МГИУ, 2006. —519 с.
10. Бамденко В.И. Компетентнрстный подход к проектированию государс-
твенных образовательных стандартов высшего профессионального образования
(методологические и методические вопросы); Методическое пособие. - М.:
Исследовательский центр проблем качества подготовки специалистов, 2005.
- 114 с.
11. Балобанов А.Е. Инженерия в науке /Сб. «Проблемы организации и раз-
вития инженерной деятельности»/ Под ред. Малиновского К.В. и Щедровицкого
Г, П,-1990 г.
12. Белозерцев В. А. Проблемы техн и чс скот о творчества как bi 1Да духов ного
производства / Автореферат дою.диссертации. М., 1970. 40 с.
13. Беляев А., Лифшиц В. Технологическое образование на пороге XXI
века — Томск: STT. 2003-504 с.
14. Белянин П. II. Технологическое Проектирование и автоматизация
производства: Сб. трудов научно-исследовательского института технологии и
организации производства № 396 «Вопросы i сорил автоматизации технологн-
-352-
ческого проектирования» / Под ред. Бруевича Ц. Г. и Белянина П. Н. — 1980.
— 71с.
15. Benjamin S. Blanhard. «System Engineering Management». John Wiley &
Sons INCIO 1998.
16. Бержец Г.К. Буровые установки. — M.: Недра, 1968.
17. Биргер И. А. Техническая диагностика. — М.: Машиностроение, 1978.
18. Брахман Т. Р. Многокритериальность и выбор альтернатив в технике.
=—М Радио и связь, 1984. —288 с.
19. Буровые комплексы. Современные технологии и оборудование /
Коллектив авторов; под общей редакцией А.М.Гусмана и К.П.Порожского: На-
учное издание. Екатеринбург: УГГГА, 2002. 592 с. с илл.
20. Бурденко Н.П. Моделирование сложных систем. -М.: Наука, 1978, 399 с.
21, Буш Г Я. Рождение изобретательских идей. —- Рига: Лиесма, 1976.
— 126 с.
22. Вентцель Е. С, Овчаров Л. А. Теория вероятностей и ее инженерные
приложения. —М.: Наука/ Гл. ред. физ.-мат. лит. (Физико-математическая б-ка
инженера). — 1988. —480 с.
23. Версан В. Г., Пацкинд Г. В., Сквсрчак В. Д. и др. Сертификация,
отечественная и зарубежная практика / Серия: Международная инженерная
энциклопедия / Под ред. В Г Версана и Е. И. Тавера. — М.: Центр «Наука и
техника», 1994, — 293 с.
24. Взятышев В.Ф. Инженерное проектирование и творческие способности
-М., МЭИ, 1992
25. Воинов Б. С. Принципы поискового проектирования: Учеб, пособие /
ГГУ. — Горький, 1982. — 75 с.
26. Владимиров А.И., Грайфер В.И. Новые образовательные программы
подготовки и повышения квалификации специалистов для эффективного ос-
воения месторождений углеводородов. / Ж- «Нефтяное хозяйство», 2006, № 5,
с. 28-32.
27. Владимиров А.И., Шейибаум В.С. - Подготовка специалистовв вир-
туальной среде профессиональной деятельности - требование времени - М.,
Высшее образование сегодня, № 10, 2007.
28. Гасанов А. И., Гохман Б. М., Ефимочкин А. П. и др. Рождение изобре-
тения (стратегия и тактика решения изобретательских задач). —М.: Интерпракс,
1995.—432 с.
29. Гаспарский В. Системная методология. Некоторые замечания о ее
природе, структуре и применении: Сб. Системные исследования. Ежегодник.
— М.: Наука, 1977. — 262 с: ил.
-353-
30. Гибкое автоматизированное производство/Под ред. С А. Майорова и
Г. В. Орловского. —Л.: Машиностроение, 1983.
31. Глазычев В.Л. Методология проектрровцнця. Лекция. 2003.
32. Голубков Е.П. Техно но гия принятия управленческих решений — М.:
Дело и Сервис, 2005
33. Городецкий В. И., Дмитриев А. К., Марков В. М« « ДР- Элементы
теории испытаний и контроля технических систем / Под ред. Р. М. Юсупова.
— Л.; Энергия, 1978.— 192 с: ил.
34. ГОСТ Р ИСО/МЭК 15288-2005 «Информационная технология. СИС-
ТЕМНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ. Процессы жизненного цикла систем »,-М :Стандартин-
форм,2006.
35. Гусев Д.О. Дилектцка становления и развития функций инженерной
деятельности. - Автореферат канд. Диссертации. Новосибирск, 1987,16 с.
36. Деятельностный подход к построению учебно-методических мате-
риалов Методический материал. Серия: Новые технологии обучения в высшем
образовании, Москва—Уфа, 1988.— 37 с,
37. Джонс Дж. К. Методы проектирования / Пер. с англ. — 2-е изд, — М.:
Мир, 1986. — 326 с.
38. Доклад о развитии человеческого потенциала в РФ за 2004 г./ Под ред
Бобылева С.Н.- М,: Весь Мир, 2004 - 160с.
39. Егоров М, Е. Технология машиностроения: Учеб, для вузов. — М.:
Высш, шк., 1976. —535 с.
40. Егоршии А. П. Управление персоналом. —Н, Новгород: ННМБ, 1977.
— 607 с. вкл.
41. Ершова Г.Г., Черносвнтов П.Ю. Наука и религия: довый симбиоз?
- Институт искусствознания и институт археологии РАН, 2003.
42. Ефимченко С.И., Прыгаев А.К. Расчет и конструирование машин и
оборудования нефтяных и газовых промыслов. Часть 1 Расчет и конструирование
оборудования для бурения нефтяных и газовых скважин, Учебник для вузов. — М.:
ФГУП «Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М.Губклна, 200$. - 736 с.
43, Жуков К. П., Кузнецова А. К., Масленникова С. И. Расчет и проек-
тирование деталей машин: Учеб, пособие для вузов / Под ред. Г. Б. Столбина и
К. П. Жуковд. —М,- Высш, шк., 1978. —247 с: пл.
44. Зимняя И.А. Ключевые компетенции - новая парадигма результата
образования. Высшее образование сегодня. - № 5. — 2003.
45. Ивановский В. 11,, Дарищев В. И., Каштанов В. С. Основные направ-
ления работ по оптимизации эксплуатации нефтепромыслового оборудования в
наклонно направленных скважинах // Нефтепромысловое дело / ВНИИОЭНГ.
Март — апрель 1996.— С. 8-16.
-354-
46, Ильскпй Л. Л., Миронов 1О. В., Чернобыльский А. Г. Расчет п конс-
труирование бурового оборудования: Учеб, пособие для вузов. —• М,: Недра,
1985, —452 с.
47, Исаев О.Г., Пантелеев В.П., Садовепко М.Ю. Проблемы нормативного
описания инженерной деятельности. /Сб. «Проблемы организации иразвития инже-
нерной деятельности»/ Под ред. Малиновского К.В. и Щедровицкого ГП.- 1990 г.
48. Исследование динамики и выбор параметров вибросита для очистки
бурового раствора Отчет до тем? № 175—70 /МИНХиГП им. И М. Губкина.
— М., 1976.
49. Казанский Ю.А. Вместо предисловия. /Сб. «Проблемы организации и
развития инженерной деятельности»/ Под ред, Малиновского К.В. и Щедровиц-
кого Г.П.- 1990 г.
50. Калт И, Соч. т.6, с,466
51. Керимов 3. Г., Багиров С. А. Автоматизированное проектирование
конструкций. — М.: Машиностроение, 1985.—224с: ил.
52. Корнилов И.К. Теоретико-методологические основы инженерного ис-
кусства/Докт. Диссертация —М.: Российское агентство цо патентам ц товарным
знакам. 1996
53. Копылов Г. В Высшее образование № 2, 2004.
54. Коряк Н.М. Пути и методы определения содержания подготовки ин-
женера широкого профиля. /Сб. «Проблемы организации иразвития инженерной
деятельности»/ Под ред Малиновского К.В. и Щедровицкого Г.П.- 1990 г.
55. Кравцов А .В., Новиков А. А., Коваль П. И. Компьютерный анализ
технологических процессов. — Новосибирск: Наука / Сиб. Предприятие РАН,
1988.—216 с.
56. Курлов А.Б, Эффективность и качество инженерной подготовки как
социальная проблема. Автореферат док. Диссертации, Уфа, 1994, 37 с.
57. Лазарев И А. Композиционное проектирование сложных агрекативны^
систем —М.: Радио п связь, 1986. — 326 с.
58. Лсвитский Н. И. Теория механизмов и машин. Учебное пособие для
втузов.—М,: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1979.
— 576 с.
59. Литвинов Б.В. Основы инженерной деятелыюсти.-Курс лекций /Под
ред. Сабынича Е Е. и Жесткова И.Н.- М.: Машиностроение, 2005. — 282 с.
60. Ловчев С.В., Рощупкин В.И., Залкин С.Л. и др. Буровые насосы с ре-
гулируемой подачей. М.: «Недра», 1977,270 с.
61. Лурье М.В. Математическое моделированиепроцессов трубопроводного
транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. /Учебное пособие. -М.: ФГУП Изд-во
«Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М.Губкпна, 2003. - 336 с.
-355-
62. Макаров И М., Виноградская Т. М* и др. Теория выбора и принятия
решений,—-М.: Наука, 1982.
63. Макаров В А., Соколов А. В. Диагностика строительныхмацщн. — М.;
Стройнздат, 1984,—335 с: цл
64. Мартипкус В.И. Инженерно-творческая деятельность как социологи-
ческая проблема. Канд. Диссертация. - Вильнюс, 1981, 184 с.
65, Методические указания по оценке технического уровня и качества
промышленной продукции. »- РД 50-149079. — М.. Издательство стандартов,
1979.
66. Мирзаджанзэде А.Х. Этюды о гуманитаризации образования. — Б :
Азернешр, 1993. - 416 с.
67, Налимов В. В., Голикова Т. И. Логические основания планирова-
ния эксперимента. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Металлургия, 1980.—
С. 152.
68. Новиков А.М. Методология образования—М.:Эгвест- 2002.
69. Новиков А.М., ЩедроРИЦкид Г.П. Педагогика и логика. - М Касталь.
1993, 416 с.
70. Новиков О. А. Система комплексной автоматизации технологии
«СКАТ»: описание информационно-поисковой системы: Метод, пособие для
студ. / ГАНГ им. И. М. Губкина. — М., 1996. — 110с.
71. Норенков И. П. Введение в автоматизированное проектирование тех-
нических устройств и систем. — М.: Высш, шк., 1986. —304 с.
72. Норенков И. П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб.
Для вузов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000. — 360 с. Пл. (Сер. Инфор-
матика в техническом университете).
73- Норенков И. П. Системы автоматизированного проектирования: Учеб,
пособие для втузов: в 9 кн. Кн. 1. Принципы построения и структура. —- М ,
Высш, шк., 1986. — 127 с: ил.
74. Одрин В. М. Метод морфологического анализа технических систем.
-М. ВНИИПИ, 1989.
75. Орлов П И. Основы конструирования: Справочно-методическое по-
собие. В 2-х кн. Кн. I / Под ред. Учаева П. Н. — Изд, 3-е, испр — М.: Машино-
строение, 1988. — 560 с: ил.
76. Павловский Ю.Н. Имитационные системы и модели.—М.: Знание, 1990.
— 48 с. — (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Математика и кибернетика», № 6).
77. Половинкин А. И. Метод оптимального проектирования с автомати-
ческим поиском схем и структур инженерных конструкций И Научные груды
ЦИИИС.— М., 1970.— Вып. 34, — 162 с.
-356-
78. Пиловиикии А. И. Основы инженерного творчества; Учеб iioluhii.
для студентов втузов. — М.; Машиностроение, 1988. —368 с: ил
79. Половинкин А, И. Законы строения и развития техники (lioenniouh.i
проблемы ириротезы). Учеб, пособие для втузов. — Волгоград, 1985. — 202 с. пл
80. Половинкин А. И. Теория проектирования новой техни- -ки: законо-
мерности техники и их применение. — М.: Информ-электро, 1991. — 104 с; ил
81. Поспелов Д. А. Фантазия или наука. — М., 1982.
82. Прохоров А. Ф. Конструктор и ЭВМ. — М.: Машиностроение, 1987.
— 272 с; ил.
83. Ракитов А.И. Философ ня компьютерной революции. - М.: Политиздат,
1991,284 с.
84. Розин В.М. Методологические проблемы философии техники. /Сб.
«Проблемы организации и развития инженерной деятельности»/ Под ред. Ма-
линовского К.В. и Щедровицкого Г.П - 1990 г.
85. Сабоннадьер Ж.-К., Кулон Ж.-Л. Метод конечных элементов и САПР
/ Пер. с франц. — М.: Мир. 1989. — 190 с; ил.
86. Савельев А.Д. Проблемы инновационного высшего образования/Сб.
«Цивилизация знаний. Будущее и современность» г М., РосНОУ, 2005.
87. Самарский А.А., Михайлов А.П. Математическое моделирование:
Идеи, Методы. Примеры. -2-е изд., испр. - М.: Физматлит, 2001. - 320 с.
88, Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. - М.; Наука,
1987.-430 с.
89. Словарь «Научно-технический прогресс»- М.:Политиздат -1987- 77 с.
90. Словарь-справочник менеджера / Под ред. М. Г. Лапус-ты. —-М.: ИН-
ФРА-М, Щ96. — 608 с.
91. Сметании П.Ю. Диалектика инженерного творчества: Донецк, 2005.
92, Соколицын С, А,, и др. Многоуровневая система оперативного управле-
ния ГПС в машиностроешш / С. А. Соколицын, В. А. Дуболазов, Ю. Н. Домченко
! Под общей ред. С. А. Соколи-цына. — СПб.: Политехника, 1991. —208 с: ил.
93. Та гнев Э.И., Кичигин А.В., Назаров В.И. Ударное вращатедьное
бурение скважин. -М.: Недра, 1965.
94. Таратынов О.В., Бдзров Б.М., Клепиков В.В., Аверьянов О.И. и др.
Проектирование технологий машиностроения на ЭВМ: Учебник для вузов / Под
ред. Таратынова О.В. — М. МГИУ, 2006. - 519 с.
95. Техническое творчество: теория, ме годология. практика. Энциклопеди-
ческий словарь-справочник / Под ред. А. И. Цоло-винкина, В. В. Попова. — М.:
НПО «Информ-сиртема», 1995. —408 с; ил.
-357-
96. Травин В. В., Дятлов В. А. Основы кадрового менеджмента, — М.:
Дело, 1996,—336 с.
97. Трахтенгерц Э.А., C j слил Ю.П., Андреев А.Ф. Компьютерные методы
поддержки принятия управленческих решений в нефтегазовой промышленности.
-М.:СИНТЕГ, 2005, 592 с., нлл. (Срия «Системы и проблемы управления»).
98. Тюрин Ю. Н., Макаров А. А. Анализ данных на компьютере / Под
ред. В. Э. Фигурнова: Учеб, пособие для вузов. —М.: ИНФРА-JM: Финансы и
статистика, 1995. — 384 с: ил.
99. Управление проектами /Под ред. Шапиро Д.Д.-Санкт-Петербург,
1996.
100. Феодосиев В.И. Сопротивление материалов Учебник для вузов.-Изд-
во: МГТУ им. НЭ. Баумана, 2005, 592 с,
101. Философский энциклопедический словарь. Изд-во «ИНФРА-М»,
1997-2003.
102. Харин В.Т., Пмсаревский В.М. Беседы о математике и математиках,
М.:Физматлит, 2004.
103. Харитонович Д.Э.-Вопросы философии, 1985. №2, с. 91-102.
1О4. Халл A. A Methodology for Systems Engineering-1962
105. Хилл П. Наука и искусство проектирования. Методы проектирования,
научное обоснование решений / Пер. с англ. Коваленко Е. Г. / Под ред. Бенды В. Ф.
—-М.: Мир, 1973. — 262 с: ил.
106. ЧарпынИ,А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах.
— Гостехтеоретиздат, 1951.
1О7. Чус А, В-, Данченко В. А. Основы технического творчества: Учеб,
пособие. — Киев — Донецк: Вита шкода, 1983. — 184 с.
108. Шапиро В. Д. Управление проектами. Учеб, пособие для вузов. — СПб.:
Два Три, 1996. — 610 с.
1О9. Шейнбаум В. С., Корнев А.М. Применение имитационных моделей при
автоматизированном проектировании буровых установок с жестким ограничением
энергоресурса / Ж. Нефть и газ. — Известия вузов, № 12, 1986.
НО. Шейибаум В- С.., Тихонов О. Н. Автоматизированное проектирование
манифольдов противовыбросового оборудования морских буровых установок: Сб.
Разработка и эксплуатация морских и газовых месторождений / ВНИИЭгазпром.
— 1991.—№ 6.
11J. Шейибаум В. С., Шаевич А. В. Разработка системы технической диа-
гностики при проектировании комплекса подводного устьевого оборудования: Сб.
Разработка и эксплуатация морских и газовых месторождений / ВНИИЭгазпром,
1989. —№4.
-358-
112. Шейибаум В. С., ШмидтА. П. Применение метода функции 1к‘Ф- ню< Hi
для оценки технического уровня бурового оборудования на стадии нриск nipt >mi
ния Н Нефть и газ / Известия вузов, 1989. —№1.
IJ3- Щедровицкий Г.П. Исходные представления и категориальные среде
тва теории деятельности. И Избранные труды. - Школа культурной ноли гики,
1995.
114, Щедровицкий Г.П. Философия, Наука. Методология./М.:ШКП, 1997
115. Экспертные системы. — М.: Знание, 1990. — 48 с. / Новое в жизни,
науке, технике: Сер. «Вычислительная техника и ее применение». — № 10.
116. Энка рначчо Ж., Шлехтсндаль Э. Автоматизированное проектирова-
ние. Основные понятия и архитектура систем / Пер. с англ. — М.: Радио и связь,
1986. — 288 с: ил.
117. Энциклопедия кибернетики (в 2-х томах). Главная редакция УЭС.
1974.
118. Эшби У.Р. Введение в кибернетику М.: Изд-во иностранной литературы,
1959, 432 с.
-359-