3. Еволюція технічних систем.

Одним із найцінніших якостей Homo sapiens є його спроможність у процесі пізнання виділяти головне й істотне, залишаючи при цьому без уваги несуттєві або випадкові ознаки, що необхідно для правильного і глибокого розуміння об'єкта пізнання. Метод абстрагування допомагав людству одержувати й упорядковувати знання в будь-якій галузі його діяльності і тим самим сприяв виникненню і розвитку окремих наук.

Проте, і дотепер для рішення тієї або іншої проблеми не завжди є відповідна теорія. В області техніки знайдеться чимало прикладів того, як практика випереджає теорію, а розвиток теорії згодом дозволяє покращувати досягнуті практичні результати. Так є і з теорією технічних систем.

Повчально простежити, як у процесі розвитку цивілізації змінювалися уявлення людей про машини. Спочатку було прийнято розглядати машину як щось ціле, що складається з тільки їй приналежних, їй властивих частин. Так, млин не міг бути просто млином, а був або водяний, або вітряний. З цієї причини у старих книгах машини описувалися як єдине ціле, Для позначення деяких машин не було спеціальних понять. Наприклад, у Рамеллі (1588 р.) відсутній термін “насос” при зображенні відповідної машини.

Тільки з розвитком технічних шкіл (Париж, 1794 р.; Прага, 1806 р.) починається процес упорядкування і відбувається виділення механізмів із рамок загального навчання про машини (Монж, Карно, Ашетт, Ланс). Спочатку вводять 10, а пізніше-21 клас механізмів, призначених для перетворення руху. У Борні (1818 р.) мова йде вже про необхідність розрізняти 6 класів основних частин машини, що групуються не за принципом перетворення руху, а з їхніх функцій. Цю ідею запозичають, і розробляють Кориолис і Понселе. Вони розрізняють у машинах три основні частини: рецептор, передавальний механізм і інструмент. Їхня концепція була заперечена прихильниками навчання, що швидко поширилося, про механізми (представником якого був і Ампер), і надалі забута.

Все викладене вище про розвиток поглядів на машини здається неповним, якщо не згадати в цьому зв'язку праці Леонардо да Вінчі (1452-1519 р.). Вже він розглядав елементи і частини машин як загальні для різноманітних машин елементи і займався їхнім дослідженням. У своїх роботах (“Мадридський кодекс”, ч.I і II) він сформулював два цікавих постулати про машини:

- книгу про сутність машин повинно, насамперед, писати, як книгу про їхнє застосування;

- механізми суть рай для математичних наук; вони плідно впливають на математику.

Леонардо да Вінчі належить до числа геніїв, що визначили хід розвитку науки. Так, лише в XIX сторіччі, після створення великого числа різноманітних машин було проведено систематичне дослідження елементів механізмів і машин, що дозволило, базуючись на реальних надійних конструкціях, вести пошук закономірностей, що лежать в основі цих машин. На той час поряд із машинами, що застосовувалися у війській, гірничій і водяній справах, існували також прядильні і ткацькі верстати, друкарські і піднімальні машини; до них незабаром приєдналася парова машина, потім пішли гідравлічний двигун, електродвигун, генератор. Важливою проблемою, пов'язаною з механікою і, насамперед із теорією тривкості, стало визначення оптимальних розмірів. Ф.Рело (1829-1905 р.) бачив основу для виявлення принципів роботи машин у прикладній механіці і, зокрема, у кінематиці.

Саме Рело в 1874 р. у своїй роботі “Теоретична кінематика”, почав першу спробу створити загальну теорію механізмів і машин. Ідеї того часу просліджуються в роботах Р. Вілліса, П.Л. Чебишева і І.І. Артоболевського. При цьому розглядаються три галузі теорії механізмів, і машин: синтез механізмів, динаміка машин, теорія автоматів.

Хоча в Західній Європі подібного навчання практично не існує, розглянуті вище концепції так чи інакше, подані як у теорії, так і в самій структурі наук. Традиційні елементи навчальних планів і структури наук створюють основу, наприклад, для машинобудування, механіки (із теорією тривкості), теорії деталей машин, матеріалознавства і технології матеріалів, організації виробництва. Проте загальна теорія в аналізованій галузіі поки ще не створена.

У цьому напрямку розвивалися, природно, і спеціальні галузі, особливо ті, у яких прогрес техніки йшов рука об руку з розвитком відповідної науки, наприклад, термодинаміка і теплові машини.

З практичних розумінь усі питання, пов'язані з плануванням, виробництвом і експлуатацією, вирішувалися в рамках кожної галузі. Внаслідок цього виникли відособлені друг від друга сфери знань і професій, у котрих усяке фахове навчання повинно було доповнюватися багаторічним досвідом. Причина цього полягала у відсутності теорії і, як слідство, у відсутності системи збору і класифікації винаходів і сутності нових технологій.

Таке положення було можливим і прийнятним тільки на етапі першій технічній революції, коли здійснювався перехід від ручних форм виробництва до промислових - до машинного сторіччя. Промислове виробництво, що росте, різноманітні кризові ситуації (особливо друга світова війна), сировинні й екологічні проблеми, що виникли в ході другої технічної революції - усе це зажадало розробки нових підходів і теорій. Створення нових технічних засобів, поряд із підвищенням вимог, з одного боку, і новими засобами рішення задач (наприклад, засобами обчислювальної техніки), з іншого, викликає необхідність перегляду методів вивчення технічних систем.

Одне з нових напрямків в області теорії технічних систем виникло після другої світової війни спочатку у виді окремих аспектів загальної теорії в рамках декількох тематично пов'язаних між собою досліджень (Вегербауер, Кессельрінг), а пізніше в більш інтегрованій формі, що особливо відноситься до системотехніки (наприклад, Госслінг, Рот, Хубка, Хансен, Рополь, Йошикава).

У Радянському Союзі фундатором наукової школи в області теорії механізмів і машин, а також систем автоматичної дії є акад. І.І.Артоболевський (1905-1977 р.). Його основні праці: “Синтез механізмів” (1944); “Курс теорії механізмів і машин” (1945); “Механізми. Посібник для інженерів, конструкторів і винахідників” (1947-1955); “Теорія механізмів” (1965); “Механізми в сучасній техніці” у 7 томах (1970-1976).

Таким чином, значимість загальної теорії створення сучасної техніки полягає в тому, що на основі її принципів і методів встановлюється і забезпечується необхідна функціональна й економічна ефективність нових технічних об'єктів, їх техніко-економічні рівні, темпи технічного прогресу і терміни відновлення техніки, визначаються “навантаженням” на економіку відповідних галузей народного господарства, що приймають участь у її створенні.

Розвиток теорії створення технічних систем розглянемо на прикладі аналізу розвитку теорії проектування об'єктів ракетної техніки.

Для проведення зазначеного аналізу розглянемо період становлення і розвитку ракетної техніки від моменту появи ідей створення перших реактивних літальних апаратів до наших днів.

У своєму історичному розвитку ракетна техніка пройшла декілька етапів: перший - до 1921 року, другий - 1921-1960 роки, третій - 1960-1995 роки.

Перший етап розвитку теорії проектування об'єктів ракетної техніки в нашій країні охоплює період появи основних робіт К.Є.Ціолковського з ракетобудування до організації державної лабораторії по розробці винаходів М.І. Тихомирова.

Розвиток теорії проектування об'єктів ракетної техніки на етапі, коли вона тільки зароджувалася, йшло в напрямку пошуку шляхів теоретичного і практичного рішення першочергових, головним чином, енергетичних проблем створення ракет, у зв'язку з чим теорія проектування на даному етапі буде умовно названа енергетичною.

Другий етап теорії проектування об'єктів ракетної техніки бере початок від організації в 1921 році лабораторії по розробці винаходів М.І. Тихомирова, що надалі одержала назва Газодинамічної лабораторії (ГДЛ), включає довоєнний і повоєнний періоди і закінчується наприкінці 50-х років. Енергетична теорія на цьому етапі розвивається в технічну, що забезпечує розгортання не тільки науково-дослідних, але і конкретних дослідно-конструкторських робіт із розробки об'єктів ракетної техніки, що дозволили створити в повоєнний період потужні балістичні ракети.

Теорія технічного проектування розвивалася в повоєнні роки, коли виникла необхідність у потужних балістичних ракетах для військових цілей і освоєння космосу, повинна була піднятися на якісно новий рівень. Силами вчених, конструкторів, інженерів у стислий термін була створена необхідна теоретична база для проектування різноманітних об'єктів ракетної техніки.

Зокрема, на її основі було розроблене сімейство потужних космічних ракет, за допомогою яких були запущені перші в історії штучні супутники Землі, дослідницькі космічні апарати для вивчення Місяця і планет Сонячної системи, зроблений перший пілотований політ навколо Землі, здійснений вихід людини в космос.

На третьому етапі розвитку теорії проектування об'єктів ракетної техніки в міру накопичення досвіду створення, експлуатації і цільового застосування перших поколінь її об'єктів, критичного осмислення з позиції зрослих вимог до теорії технічного проектування наприкінці 50-х років були розроблені на її базі основи теорії комплексного проектування, що розширило можливість проектування і перебороло обмеженість технічного підходу до створення складних технічних об'єктів. Головна суть комплексної методології проектування, що базується на комплексному підході до створення об'єктів ракетної техніки, зводиться до такого.

Основними типовими об'єктами проектування при використанні комплексної методології в організаційно-технічному плані стали не тільки окремі складові частини ракетного комплексу (РК), що охоплює велике число різнорідних по своїй сутності технічних засобів і об'єктів, але і ракетний комплекс у цілому. Типовий РК включає у свій склад визначене число ракет і пускових установок, командні пункти, системи керування і зв'язку. Наземне технологічне устаткування й інші допоміжні засоби у виді спеціальних механізмів, агрегатів, машин, апаратури, систем будівельних споруджень, у сукупності утворюючий комплекс засобів забезпечення функціонування ракет при їхній експлуатації і цільовому застосуванні.

При комплексній методології проектування РК проводиться як єдине ціле по загальному задумі головного розроблювача, що координує діяльність усіх проектантів, без розподілу РК на головні і другорядні складові частини і підпорядкування вибору параметрів останніх, забезпеченню граничних показників інших його складових частин,що штучно вибираються в якості головних. Це значить, що при комплексній методології проектування РК виключається недооцінка комплексу, що існувала, засобів, що забезпечують експлуатацію і цільове застосування ракети, нераціональність побудови яких може різко знизити ефект від її досконалості.

При цьому кожне проектне організаційно-технічне рішення приймається на основі комплексного розгляду усіма розроблювачами в самих різноманітних аспектах проблеми створення і цільового застосування можливих варіантів побудови проектованого зразка РК і його складових у нерозривному зв'язку з покладеними на них задачами, а також всебічного урахування науково-технічних, промислово-економічних, експлуатаційних, суспільно-політичних та інших чинників, характерних для процесу життєвого циклу технічного зразка.

З викладеного випливає, що комплексна методологія проектування об'єктів ракетної техніки охопила методології не тільки технічного проектування, але і їх операційного й економічного проектування. При становленні комплексної методології операційне проектування оформилося як нова складова частина загальної методології проектування ракет, у ході реалізації якої вибираються цілі розробки, засоби виробництва, експлуатації і цільового застосування розроблювальних зразків РК, а також дається кількісна оцінка результатів можливих ситуацій із застосуванням різноманітних варіантів цих зразків РК із метою виробітки найбільше раціональних проектних рішень. Воно базується на теорії дослідження операцій, що узагальнює і систематизує кількісні методи оцінки ситуації і підготування рішень задач різноманітної природи. Переносячи методи точних наук на рішення проблем, що виходять із сфери чистої науки, теорія дослідження операцій озброїла проектантів засобами формалізації і вибору стратегій рішення проектних задач, для яких не вдасться здійснити оперативний експеримент і відсутня повна певність. Операційне проектування дозволило встановлювати кількісне співвідношення між результатами технічного й економічного проектування, порівнювати цілі і витрати, можливості і потреби, визначати досконалість зразків РК на підставі комплексних критеріїв техніко-тактико-економічної ефективності.

Економічне проектування також стало новою складовою частиною теорії створення об'єктів ракетної техніки, при якій аналізуються шляхи і засоби розробки, промислової реалізації і функціонального використання того або іншого варіанта побудови РК із погляду їхньої економічної оцінки для мінімізації необхідних сумарних матеріальних витрат і прийняття найбільше економічних обгрунтованих проектних рішень. Завдяки цій складовій частині комплексна методологія проектування набула спрямованості економічного проектування з перетворенням грошей в одного з головних арбітрів у технічних суперечках, що виникають при створенні ракетної техніки.

У зв'язку з використанням при комплексній методології проектування технічних, операційних і економічних методів, проектний аналіз і синтез при створенні РК стали носити техніко-економічний характер, що дуже істотно перетворило традиційний методичний апарат їхнього технічного проектування. Впровадження комплексної методології в практику створення РК різко розширило можливість об'єктивного рішення необхідного кола проектних задач, у тому числі раніше недоступних методологіям енергетичного і технічного проектування; змінило раніше сформований (із позиції енергетичної і технічної методології проектування) уявлення про оптимальні рішення багатьох традиційних проектних задач; ускладнило організацію процесу проектування і зажадало широкого впровадження в практику методів обчислювальної математики, програмування і електронно-обчислювальних машин.

При цьому розробка кожного нового зразка РК розглядається не тільки як суміжне технічне, але і значне промислово-економічне й суспільно-політичне явище, що потребує до себе комплексного державного підходу.

Розвиток ракетного комплексу балістичних ракет на заводі “Південмаш” приведен на мал.3.1. На графіку приведене збільшення корисного вантажу балістичних ракет від 100 кг для перших ракет Р1, Р2 до 100 тон. комплексу “Енергія”. Таке збільшення відбулося за 35 років за гіперболічним законом.

Необхідність постійного удосконалювання техніки є причиною пошуку шляхів подальшого удосконалювання і теорії створення цієї техніки в плані більш повної відповідності її сучасним вимогам, що зажадало наприкінці 70-х років критичного розгляду досвіду використання вітчизняної комплексної методології.

Як уже відзначалося раніше, суть змістовної основної частини будь-якої теорії визначається використаним у ній загальнонауковим концептуальним підходом, у зв'язку з чим критичному осмислюванню в першу чергу, був підданий комплексний системний підхід, що лежить в основі вітчизняної теорії створення технічних систем.

Мал.3.1. Розвиток РК на базі заводу “Південмаш”.

Системний підхід дотепер не має єдиного формулювання і розглядається як якийсь “золотий ключик” для рішення різноманітних проблем. При цьому він нерідко трактується як щось цілком невідоме до наших днів, як загальна методологія науки, чи ледве не нова філософія, покликана замінити всі існуючі методологічні, світоглядні концепції, включити в себе всі інші методологічні засоби.

Системний підхід являє собою загальнонаукову (тобто надфилософську, але зберігаючи тісний зв'язок із філософією) концепцію Системний підхід містить у собі два аспекти: по-перше, у визначеному розумінні самого об'єкта досліджень саме як системи, a по-друге, у розумінні процесу досліджень як системного по своїй логіці і застосовуваних засобів.

Основною категорією системного підходу вважається система (від грецького sistema - ціле, що складається з частин), що є не простим об'єднанням своїх частин. Звідси і заперечення елементаризму - підходу, що невірно орієнтує на простий синтез системи з її елементів, на просте об'єднання або “співіснування” елементів.

Незважаючи на те, що ідея системної побудови світу виникла водночас з філософією, наука до останнього часу розвивалася виходячи з улементаризму, що протистоїть системному підходові, і це вважаеться не тільки доступним, але і законним принципом досліджень.

Проте слід зазначити, що системний підхід не відображує всієї сукупності принципів діалектики (у першу чергу, її творчу спрямованість, що забезпечує розвиток системи), у зв'язку з чим він не може розглядатися як самий універсальний і базовий для розробки теорії створення сучасної техніки, що виключає інші, раніше використовувані, і нові, більш універсальні, загальнонаукові підходи.

Удосконалений підхід для побудови загальної теорії створення об'єктів сучасної техніки повинний відбивати не тільки системну організацію їхньої побудови, але і всіх інших проектних об'єктів, чинників і процесів. Він також повинний відбивати еволюційну природу їхній походження й управлінську, активну суть діяльності розроблювачів, що лежить в основі всього процесу їх удосконалювання, що забезпечує технічну еволюцію, спрямовану на постійне підвищення якості технічних об'єктів, утворюваних для використання в народному господарстві.

Сучасний, найбільше універсальний, концептуальний підхід для побудови теорії створення сучасної техніки, залишаючись комплексним, повинний містити в собі не тільки системний , але й еволюційний і управлінський підходи. Такий синтезований на їхній основі універсальний загальнонауковий підхід назвали кібернетичним.

Кібернетичний підхід як термін і концепція вже знайшов практичне застосування. Зараз особливо добре відчувається значний реальний внесок кібернетики в наукове мислення, що прийняло на озброєння поняття зворотного зв'язоку, керування, інформаційного підходу.

Найважливішим положенням кібернетичного підходу до досліджуваних об'єктів є уявлення про їхню мінливість, що потребує еволюційного підходу при їхньому розгляді.

Управлінський підхід надає цілеспрямований, перетворюючий характер кібернетичному підходові. Конкретне вираження на практиці він знаходить у програмно-цільовому підході, що припускає вибір цілей і засобів, реалізованих у визначеної тимчасове послідовності, що забезпечує планомірне досягнення цих цілей за рахунок програмного керування адекватними засобами.

Якщо науковим фундаментом системного підходу є загальна теорія систем, розвиток якої пов'язано з його становленням, то науковим фундаментом кібернетичного підходу варто вважати теоретичну кібернетику.

До 60-х років сформувалося застосування кібернетики не тільки як ЕОМ, але і прикладні напрямки розвитку теоретичної кібернетики: технічна, військова, економічна, медична, біологічна, інженерна (мал.3.2.). Таким чином, теоретична кібернетика - наука про загальні закони керування системами самої різноманітної природи, реалізованих на основі одержання, збереження, передача і перетворення інформації в складних керуючих системах.

Визначення теоретичної кібернетики не установилося й однозначно не визначена структура побудови її методології, що визначиться після накопичення даних практичного досвіду застосування, як самої теоретичної кібернетики, так і її можливих численних прикладних напрямків. Якщо проаналізувати роботи, що стосуються структури побудови кібернетики, то з позиції сучасного рівня розуміння методологія теоретичної кібернетики містить у собі теорії моделювання, інформації, автоматів, алгоритмів, автоматичного керування, знакових систем (формальних мов і грамматик), розпізнавання уяв і систем керування, що самоорганізуються, а також відповідної їй теорії математичного забезпечення (зокрема, що охоплюють поряд із традиційним математичним інструментаріем, такі нові і найбільше абстрактні галузі математики як теорії множин, графів, осередків, мереж, математичної логіки і векторної алгебри, статистичних рішень, можливостей, випадкових процесів, ігор, тензорного числення, адаптації, програмування й ін.), а також теорії її обчислювального забезпечення.

Мал. 3.2. Прикладні напрямки розвитку теоретичної кібернетики.

Важливим принципом кібернетичного підходу варто вважати і визначений алгоритм його реалізації в будь-якій галузі практичного застосування, що можна уявити такими типовими операціями:

3.1. Встановлення актуальних, програмних цілей, формування і постановка задач по їхньому досягненню.

3.2. Вибір для досягнення цих цілей, об'єктів і засобів у формі систем відповідної їхньої складності.

3.3. Визначення характерного для цих систем оточення протягом усього періоду їхнього існування.

3.4. Вивчення передісторії, стану і можливих напрямків розвитку обраної системи, її оточення і процесів їхньої взаємодії.

3.5. Встановлення параметрів, що визначають якість цієї системи, а також формування програмних рівнів повної якості системи, що враховує як ступінь досягнення поставлених цілей із їхнім використанням, так і пов'язаних із цим витрат.

3.6. Організація замкнутих контурів керування якістю системи для цілеспрямованого перекладу її з існуючого в намічений стан.

3.7. Моделювання і максимальна формалізація системи, оточення і всіх, що мають до них відношення об'єктів, процесів і чинників на основі математичного і обчислювального забезпечення теоретичної кібернетики.

3.8. Реалізація процесів керування якістю системи на основі використання всієї необхідної інформації, що циркулює по каналах прямого і зворотного зв'язку.

Можна підтверджувати, що число прикладних напрямків розвитку теоретичної кібернетики буде надалі зростати в міру розширення кібернетичного підходу в тих областях діяльності, де повинні враховуватися практично повсюдно присутні чинники системності, розвитку і керування, а використання методів кібернетики може дати відповідний позитивний ефект.

Використання кібернетичного підходу і теоретичної кібернетики для рішення проблеми подальшого розвитку теоретичного забезпечення процесів створення і застосування сучасної техніки, в основі яких лежать процеси керування її якістю, стало науковим фундаментом для формування нового напрямку розвитку теоретичної кібернетики - інженерної кібернетики, що об'єднує методологію рішення інженерних задач по керуванню якістю різноманітних технічних об'єктів, що формує загальну теорію створення нових об'єктів сучасної техніки.