1. Научные исследования и инновации
В условиях рыночной экономики производимые товары должны быть конкурентоспособными, т.е. они должны иметь потребительские качества и цену, более привлекательные, чем аналогичные товары других производителей. Конкурентоспособность выпускаемой продукции главным образом определяется способностью предприятия к инновациям.
Инновация («введение новшеств») – это итоговый результат творческого труда, получивший реализацию в виде новой или усовершенствованной продукции либо нового или усовершенствованного технологического процесса, используемого для получения прибыли или достижения иного полезного эффекта. Другими словами, способность предприятия к инновациям – это способность к постоянному совершенствованию продукции, технологии ее производства и менеджменту на базе результатов научных исследований и научно-технических достижений.
Рис.1. Этапы и стадии жизненного цикла технической системы:
Т – системное время; F – параметр целевой функции
Жизненный цикл развития (онтогенеза) любой технической системы можно представить графически в виде S-образных зависимостей (рис.1), на которой предсавлены следующие этапы ее развития и деградации: Зt – зарождение, Pиt – интенсивное развитие, Рдt – замедленное (дефилирующее развитие), Сt – стадия стагнации, Дt – стадия деградации, Гt – стадия гибели.
Для предотвращения перехода технической системы в стадию стагнации и деградации научные исследования и разработку технической системы на новых принципах необходимо начинать уже на стадии Риt и иметь положительные результаты на стадии Рдt.
Научное исследование – это такое систематическое и целенаправленное изучение объектов, в котором используются методы и средства науки и которое завершается формулированием знаний об изучаемых объектах (гипотез, теорий, законов, методов проведения экспериментов, методов расчета и др.).
Объектом научного исследования является материальная или идеальная система.
Предметом научного исследования является структура системы, закономерности взаимодействия элементов внутри системы или вне ее, закономерности развития и т.п.
Цель научных исследований (объектов, процессов или явлений) – всестороннее достоверное получение, изучение и формулирование новых знаний, которые будут использованы для решения технических, экономических, социальных, гуманитарных и других задач.
Главной целью научных исследований в технике является получение новых знаний, на базе которых могут создаваться высокие и критические технологии, создаваться новая и совершенствоваться существующая техника.
Высокие технологии – это технологии, которые находятся в верхней части S-образной кривой развития технологий данного принципа действия. Их необходимо рассматривать с двух точек зрения:
1) как самые современные технологические знания о способах и средствах проведения производственных процессов, воплощенных в конкурентоспособной технике;
2) как технологические процессы, в которых воплощены новейшие научно-технические достижения, обеспечивающие одновременно и высокий технический уровень, и наименьшие затраты.
Критические технологии – это принципиально новые технологии, которые обеспечивают замену высоких технологий и смену поколения техники, когда начинают существенно снижаться темпы роста главного показателя качества или технического уровня технической системы при ее замене на новые образцы техники или технологии, основанные на том же самом принципе действия (например, поршневые двигатели, ткацкие челночные станки и др.).
В основе создания новых технологий должны лежать принципы технической и экономической целесообразности. Технический процесс должен обеспечить наилучшее выполнение всех технических требований на изготовление изделия, а технологическое оборудование и средства технологического оснащения должны соответствовать требованиям высоких технологий. При этом затраты труда и издержки производства должны быть минимальными.
При разработке технологических процессов используют методы структурной и параметрической оптимизации по разным критериям, которые можно объединить в две группы:
1) экономические критерии (минимальная технологическая себестоимость, наименьшие приведенные затраты, наибольшая прибыль и др.);
2) критерии технического уровня (максимальный уровень автоматизации, максимальная производительность, наибольший коэффициент использования материалов, наибольший коэффициент загрузки оборудования и др.).
Для выбора рациональной или оптимальной технологии используют различные методы математического моделирования и оптимизации проектно-технологических решений (сетевые графики, пространственные, сети Петри, искусственные нейронные сети, эйлеровы графики и др.). Наиболее простыми и наглядными являются сетевые математические модели (графики) (рис.2).
Рис.2. Пример многовариантного сетевого технологического графика:
○ - вариант технологической операции
→ - маршрутный технологический процесс
Структура элементов таких моделей описывается ориентированным графиком, не имеющим замкнутых циклов. Модель содержит большое число вариантов техпроцесса, в которых строго сохраняется порядок следования элементов, соответствующий технологическим операциям.
Для моделирования технологических процессов, в которых требуется многокритериальная оптимизация, сетевые модели являются наиболее эффективными. В качестве элементов многовариантного сетевого технологического графа используют технологические операции обработки, которые образуют вершины графа. В каждом вертикальном слое сетевого графа могут рассматриваться многие взаимозаменяемые варианты выполнения технологических операций. Они должны быть отражены в структурной модели сетевого многовариантного графа. Путь на графе от исходной вершины до завершающей является вариантом маршрутного технологического процесса, обеспечивающим все технические требования на изготовление изделия. Сетевой граф позволяет выбирать оптимальный (по заданным критериям) или наиболее рациональный вариант технологического процесса с учетом других трудно формализуемых требований реального производства (безопасности жизнедеятельности), наличия и возможности приобретения технологического оборудования и т.п.).
Недостатком сетевого метода является большая трудоемкость при наличии большого количества операций в маршрутном техпроцессе и большом количестве критериев оптимизации. Количество возможных вариантов технологических процессов может превышать возможности ЭВМ, если решать задачу методом полного перебора. В этом случае используют специальные математические методы упрощения задачи. Одним из таких методов является выделение ядра квазиоптимальных решений с помощью методов динамического программирования, т.е. необходимо выполнить операцию разборки исходного сетевого графа на ядро и остальную часть, в которой нет оптимальных решений.
Анализ многовариантного сетевого технологического графа проводят на ЭВМ с использованием различных программно-методических комплексов: однокритериальной и многокритериальной оптимизации, теории статистических решений, методом искусственного интеллекта и других средств системного анализа.
При разработке технологических процессов особое внимание необходимо уделить сокращению трудоемкости изготовления изделия. Это основной фактор интенсификации производства и повышения конкурентоспособности за счет снижения технологической себестоимости изделия.
Принципиальный алгоритм поиска оптимальных или эффективных решений с использованием математического моделирования предствален на рис.3.
Рис.3. Алгоритм поиска эффективных (оптимальных) решений технической системы с использованием математического моделирования