Основы научных и инженерных исследований
..pdfФедеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»
В.З. Пойлов
ОСНОВЫ НАУЧНЫХ И ИНЖЕНЕРНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского государственного технического университета
2008
УДК 66.001.5 П47
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор С.В. Островский (Пермский государственный технический университет); д-р техн. наук, профессор В.Г. Рябов
(Пермский государственный технический университет); д-р техн. наук, профессор Б.Е. Шенфельд (УралНИИЭкология)
Пойлов, В.З.
П47 Основы научных и инженерных исследований : учеб. пособие / В.З. Пойлов. – Пермь: Изд-во Перм.
гос. техн. ун-та, 2008. – 344 с. ISBN 978-5-88151-906-3
Рассмотрены вопросы проведения научных и инженерных исследований на предприятиях химической и нефтехимической промышленности. Даны основные сведения о фундаментальных, прикладных и маркетинговых исследованиях, технологическом и экологическом аудите. Приведены примеры проведения математической обработки экспериментальных наблюдений с использованием статистического, корреляционного и регрессионного методов анализа. Особое внимание уделено вопросам разработки новых технических решений и патентования изобретений, методам решения изобретательских задач.
Предназначено для студентов, аспирантов, инженеров и научных работников, работающих на химических и нефтехимических предприятиях.
УДК 66.001.5
Издано в рамках приоритетного национального проекта «Образование» по программе Пермского государственного технического университета «Создание инновационной системы формирования профессиональных компетенций кадров и центра инновационного развития региона на базе многопрофильного технического университета»
ISBN 978-5-88151-906-3 © ГОУ ВПО
«Пермский государственный технический университет», 2008
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение.............................................................................. |
8 |
1. Научные и инженерные исследования, научные |
|
организации......................................................................... |
10 |
1.1. Научные исследования............................................ |
10 |
1.2. Этапы выполнения НИР.......................................... |
13 |
1.3. Задачи исследований на различных этапах |
|
проведения НИР.............................................................. |
16 |
1.4. Инженерные исследования на предприятиях........ |
17 |
1.5. Научные организации.............................................. |
21 |
1.5.1. Научные учреждения Академии наук РФ....... |
21 |
1.5.2. Университеты и вузы........................................ |
23 |
1.5.3. Научно-исследовательские и проектные |
|
институты..................................................................... |
25 |
1.5.4. Научно-исследовательские центры.................. |
26 |
1.5.5. Научно-изыскательские фирмы ....................... |
26 |
2. Маркетинговые исследования, предшествующие |
|
разработке технологии новой продукции........................ |
27 |
2.1. Содержание и направление маркетинговых |
|
исследований................................................................... |
27 |
2.2. Методы проведения маркетинговых исследо- |
|
ваний................................................................................ |
32 |
3. Патентно-информационные исследования................... |
40 |
3.1. Научно-техническая документация........................ |
40 |
3.2. Государственная система научно-технической |
|
информации..................................................................... |
44 |
3.3. Информационно-поисковые системы .................... |
44 |
3.4. Организация работы с научной литературой......... |
45 |
3.4.1. Проведение патентных исследований............. |
45 |
3.4.2. Разработка задания на проведение патентных |
|
исследований ............................................................... |
47 |
3.5. Информационные системы поиска в Интернете... |
53 |
3.6. Поиск патентов......................................................... |
55 |
3.7. Систематизация и анализ отобранной докумен- |
|
тации ................................................................................ |
55 |
3 |
|
3.8. Поиск информации по фондам Пермского центра |
|
научно-технической информации.................................. |
58 |
3.9. Поиск патентной информации в базе данных |
|
Федерального института промышленной собствен- |
|
ности РФ .......................................................................... |
61 |
3.9.1. Начало поиска.................................................... |
62 |
3.9.2. Закладки и кнопки............................................. |
63 |
3.9.3. Последовательность действий при прове- |
|
дении поиска................................................................ |
64 |
3.9.4. Основные диалоговые окна .............................. |
67 |
3.9.5. Поиск информации............................................ |
70 |
3.9.6. Результаты поиска............................................. |
81 |
3.9.7. Поиск патентной информации в Интернете |
|
по базам данных США: QPAT-US и USPTO............. |
83 |
3.10. Поиск информации в Пермском центре научно- |
|
технической информации............................................... |
90 |
3.10.1. Сведения об информационно-поисковой |
|
системе STN International............................................ |
90 |
3.10.2. Возможности информационно-поисковой |
|
системы FIZ CHEMIE.................................................. |
93 |
3.11. Поиск информации в центральном патентном |
|
фонде Федерального института промышленной |
|
собственности.................................................................. |
96 |
3.12. Обзор электронных каталогов крупнейших |
|
научных библиотек и информационных центров......... |
98 |
4. Экспериментальные исследования................................ |
114 |
4.1. Экспериментальные установки и методы |
|
проведения эксперимента............................................... |
114 |
4.2. Выбор метода проведения эксперимента............... |
116 |
4.3. Выбор метода проведения анализа......................... |
117 |
4.4. Поисковые и систематические лабораторные |
|
исследования ................................................................... |
123 |
4.5. Исследования по совершенствованию сущест- |
|
вующих производств....................................................... |
131 |
4.5.1. Технологический аудит..................................... |
131 |
4.5.2. Экологический аудит......................................... |
135 |
4 |
|
4.5.3. Опытно-промышленные и опытные |
|
испытания..................................................................... |
137 |
4.6. Ошибки, возникающие при проведении |
|
исследований................................................................... |
146 |
5. Статистический и корреляционный анализ |
|
экспериментальных данных............................................... |
148 |
5.1. Погрешности измерений ......................................... |
148 |
5.2. Определение и исключение случайной ошибки.... |
151 |
5.3. Определение систематической (инструмен- |
|
тальной) ошибки............................................................. |
159 |
5.4. Вычисление статистических характеристик |
|
с использованием Microsoft Excel.................................. |
163 |
5.5. Использование пакета «Описательная статис- |
|
тика» программы Microsoft Excel для расчета |
|
статистических показателей........................................... |
178 |
5.6. Корреляционный анализ.......................................... |
184 |
6. Математическая обработка экспериментальных |
|
данных................................................................................. |
192 |
6.1. Нахождение уравнений графическим методом..... |
192 |
6.2. Регрессионный анализ............................................. |
198 |
6.3. Пример проведения регрессионного анализа |
|
с использованием программного пакета Microsoft |
|
Excel ................................................................................. |
204 |
7. Математическое планирование эксперимента. |
|
Полный факторный эксперимент...................................... |
214 |
8. Разработка изобретений и рационализаторских |
|
предложений....................................................................... |
226 |
8.1. Рационализаторские предложения......................... |
226 |
8.2. Заявление на рационализаторское предложение.... |
229 |
8.3. Порядок подачи и рассмотрения заявления на |
|
рационализаторское предложение................................. |
231 |
8.4. Выплата вознаграждения за рационализаторское |
|
предложение.................................................................... |
232 |
8.5. Пример оформления рационализаторского |
|
предложения.................................................................... |
233 |
8.6. Изобретения, полезные модели и промышленные |
|
образцы............................................................................ |
235 |
5 |
|
8.7. Правовые вопросы патентования............................ |
238 |
8.8. Заявки на изобретение, полезную модель |
|
и промышленный образец.............................................. |
246 |
8.8.1. Содержание заявок и правила их подачи......... |
246 |
8.8.2. Приоритет изобретения, полезной модели, |
|
промышленного образца............................................. |
250 |
8.8.3. Экспертиза заявки на изобретение................... |
252 |
8.8.4. Временная правовая охрана.............................. |
255 |
8.8.5. Публикация сведений о патенте и выдача |
|
патента.......................................................................... |
256 |
8.8.6. Отзыв и преобразование заявок........................ |
257 |
8.8.7. Прекращение действия патента........................ |
257 |
8.8.8. Патентование объекта промышленной |
|
собственности в зарубежных странах....................... |
258 |
8.9. Требования к описанию изобретения..................... |
259 |
8.10. Требования к формуле изобретения..................... |
264 |
8.11. Формула изобретения на устройство.................... |
267 |
8.12. Формула изобретения на способ........................... |
271 |
8.13. Формула изобретения на вещество....................... |
273 |
8.14. Комбинированная формула изобретения............. |
275 |
8.15. Формула изобретения на применение.................. |
281 |
8.16. Задачи для составления формул изобретения...... |
282 |
8.17. Пример описания изобретения.............................. |
285 |
9. Методы решения изобретательских задач..................... |
292 |
9.1. Коллективные методы решения изобретатель- |
|
ских задач......................................................................... |
293 |
9.1.1. Метод «мозгового штурма».............................. |
293 |
9.1.2. Метод функционально-стоимостного |
|
анализа.......................................................................... |
296 |
9.2. Индивидуальные методы решения изобрета- |
|
тельских задач ................................................................. |
298 |
9.2.1. Метод академика Б. Юрьева............................. |
298 |
9.2.2. Метод морфологического анализа................... |
299 |
9.2.3. Метод контрольных вопросов.......................... |
299 |
9.2.4. Алгоритм решения изобретательских задач |
|
Г. Альтшулера.............................................................. |
301 |
9.3. Синектический метод............................................... |
303 |
6 |
|
9.4. Примеры использования методов решения |
|
изобретательских задач.................................................. |
307 |
9.4.1. Использование метода «мозгового штурма».... |
307 |
9.4.2. Использование метода морфологического |
|
анализа.......................................................................... |
309 |
9.4.3. Использование метода Г. Альтшулера............ |
311 |
9.5. Варианты изобретательских задач.......................... |
317 |
Список литературы............................................................. |
319 |
Приложение 1. Международная патентная классифи- |
|
кация (7-я редакция) ......................................................... |
322 |
Приложение 2. Коды, используемые для обозначения |
|
стран в патентах.................................................................. |
327 |
Приложение 3. Обозначения основных патентных |
|
документов по коду ИСИРЕПАТ (Международного |
|
комитета по сотрудничеству патентных ведомств |
|
в области информации) ...................................................... |
327 |
Приложение 4. Положение «О пошлинах за патентова- |
|
ние изобретений, полезных моделей, промышленных |
|
оборазцов…»....................................................................... |
329 |
7
ВВЕДЕНИЕ
Вхимической и нефтехимической промышленности научные и инженерные исследования во все времена имели важное значение, поскольку от уровня и направлений исследований решающим образом зависит уровень развития технологий, экологическая ситуация и прибыль предприятий. В современных же условиях развития промышленности в России в связи с переходом на новые товарноденежные отношения, необходимостью модернизации многих устаревших предприятий и необходимостью создания новых технологий роль научных и инженерных исследований, творческого участия инженеров в создании и патентовании изобретений, интенсификации поиска наиболее прогрессивных технических решений станет более значимой.
Всвоей работе техническим специалистам приходится часто сталкиваться с решением нестандартных задач, требующих проведения исследований и творческого подхода к их решению. Творческий процесс в инженерной деятельности аналогичен деятельности ученого, композитора и художника, работающих над новыми творениями; инженер также работает над новыми идеями, эффективными техническими решениями.
Впособии приведены основные сведения о фундаментальных и прикладных исследованиях и научных организациях в России. Рассмотрены также основные понятия маркетинговых исследований, используемые в процессе разра-
ботки решений по развитию качества, ассортимента и объемов производства продукции. Приведены сведения о технологическом и экологическом аудите предприятий, направленных на выявление недостатков («узких» мест) производства и путей совершенствования технологии
иэкологии предприятия.
Впроцессе деятельности инженеру необходимо знать уровень развития научно-технического прогресса, поэтому в пособии большое внимание уделено патентноинформационным исследованиям с привлечением компью-
8
терных средств. Ежегодно в мире создается порядка 1 млн новых изобретений, защищенных патентами, и ноу-хау. В связи с революционным развитием компьютерной техники и новыми информационными технологиями, развитием Интернета в области патентования появились возможности быстрого информационного поиска аналогов, существующих в базах данных развитых стран мира. Замена рутинного процесса поиска аналогов в многочисленных источниках на машинный поиск с помощью компьютеров в тысячи раз сократила трудоемкость и повысила качество поиска. Это, в свою очередь, высвободило время специалистов на творческую работу, на разработку изобретений. Информационные исследования позволяют не только выявить аналоги, но и наталкивают на новые идеи. Прогрессивные изобретения действуют как катализатор на творческий ум ученого и инженера, стимулируют поиск еще более эффективных решений. В связи с этим проведение информационных
ипатентных исследований приобретает большое значение.
Вкниге рассмотрены также практические вопросы математической обработки результатов экспериментальных исследований и получения математических моделей изучаемых процессов, примеры компьютерной обработки результатов экспериментальных исследований с использованием пакетов для статистического, корреляционного и регрессионного методов анализа в среде Microsoft Excel.
Продуктом деятельности инженеров, аспирантов и ученых являются научно-технические идеи, научные разработки, новые технологии и технические конструкторские решения, уровень которых отражает интеллектуальный потенциал страны и в значительной степени определяет уровень развития общества и экономики. В связи с этим ознакомление с методологией проведения научных и инженерных исследований и формирование навыков проведения таких исследований у студентов − будущих инженеров, аспирантов и ученых − имеет важное значение в развитии научно-технического прогресса. В пособии особое внимание уделено формированию практических навыков разра-
9
ботки новых технических решений и патентованию изобретений, развитию методов решения творческих инженерных задач.
1. НАУЧНЫЕ И ИНЖЕНЕРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, НАУЧНЫЕ ОРГАНИЗАЦИИ
1.1. Научные исследования
Целью научно-исследовательских работ (НИР) является всестороннее, достоверное изучение объекта, процесса или явления, а также получение и внедрение в производство (практику) полезных для общества результатов. Объектом НИР в химии обычно является химическое вещество или химическая технология, химические процессы (реакции обмена, окисления-восстановления, горения и т.п.) или физические процессы (абсорбция, испарение, конденсация, ректификация, разделение и т.п.). Если объектом исследования является вещество, то обычно цель исследований – это изучение составов и физико-химических свойств новых композиций, а если объектом исследований является технология, то – поиск наиболее эффективных (с позиций экологии, экономики, техники и энергообеспечения) вариантов производства в крупных масштабах химического продукта с заданными свойствами.
По целевому назначению выделяются:
•фундаментальные исследования, направленные на изучение новых законов, явлений, закономерностей, на создание новых веществ с уникальными свойствами (термостойких, антифрикционных, коррозионно-стойких, клеевых композиций, удобрений, инсектофунгицидов, ПАВ, биологически активных и т.п.). Главной целью фундаментальных исследований является расширение научных знаний и установление того, что может быть использовано
впрактической деятельности человека;
•прикладные исследования, направленные на поиск способов использования законов природы для совершенствования видов деятельности человека, разработку и совер-
10