Прикладные основы разработки инновационных технологий при проектировании радиоэлектронных систем. Учебное пособие

1.4. Системное проектирование как новая идеология подготовки профессиональных...

ет ее место и значение в общей системе проблем. А вот из узкого специалиста получить профессионального инженера иной специализации, чем той, по которой он обучался, или крупного ученого с широким научным кругозором практически невозможно, если только не заново его переучивать.

Изъяны подготовки узких специалистов признают даже на западе. В частности, еще в начале ХХ в. профессор А. Ридлер отмечал, что в высшей школе должно даваться многосторонне образование, а не сведения из узко ограниченной профессиональной области.

Кроме того, инженерная деятельность в современных условиях связана с созданием и эксплуатацией сложных технических систем, выполняющих многообразные функции, и инженер должен обладать соответствующим мышлением, быть готовым решать возникающие проблемы, в том числе нетрадиционные.

Возникающие в современной практике задачи и проблемы характеризуются большой сложностью, затрагивают разные отрасли научного знания, это приводит к тому, что инженерная деятельность все чаще связана с социальными, экономическими и экологическими аспектами и, как следствие, новыми требованиями к подготовке инженеров [15, 16, 19]:

-инженер должен осознавать и быть готовым нести ответственность за гуманитарные, социальные, культурные ценности, а это невозможно без соответствующего уровня знаний в самом широком диапазоне;

-создание любого технического объекта или решение современных инженерных проблем призвано удовлетворять все более высокие потребности общества в целом и отдельных людей, что требует в деятельности инженера обращение к таким дисциплинам, как инженерная психология, дизайн, инженерная экономика, программирование, системы логического мышления и автоматического распознавания образов;

-при проектировании и создании технических систем инженер обязан анализировать и прогнозировать особенности функционирования технических систем, при этом особое внимание следует уделять возможным негативным воздействиям как на обслуживающий персонал, так и на окружающую среду, инженер должен уделять внимание вопросам сохранения окружающей среды. Взаимодействие между сложными современными техническими системами и человеком изучается, в частности, в эргономике, поэтому профессиональный инженер должен быть компетентен и в

21

1. Особенности и роль творчества в инженерной деятельности

этой сфере. Кроме того, профессиональный инженер должен осознавать, что негативное воздействие современных технических систем проявляется не сразу, опосредованно, неоднозначно в зависимости от различных дополнительных условий. Достаточно упомянуть воздействие компьютерных игр и виртуальных реальностей на психику людей, появление мобильной связи и социальных сетей на экономику и социальную структуру общества.

Последствия создания новых технических средств и систем можно разделить на три типа [22, 23]:

-изменение под воздействием новой техники окружающей среды и природы;

-изменение деятельности инфраструктур (создание новых заводов, конструкторских бюро, учебных программ, выявление новых ресурсов);

-влияние новой техники на человека, новый характер инженерного мышления, предполагающий более высокую общую культуру личности инженера, использование в работе современной методологии прикладных гуманитарных наук.

Указанные особенности современных технических систем подчеркивают неразрывную связь с социально-психологическими явлениями и процессами, а это значит, что профессиональный инженер традиционно должен обладать не только естественнонаучным мышлением, но и быть гума- нитарно-ориентированным человеком. Необходимость совмещать в своей деятельности чисто технические и гуманитарные знания и навыки является комплексной проблемой при подготовке профессионального инженера, поэтому гуманизация образования инженера пока остается в сфере его личных интересов и ответственности. На настоящем этапе при подготовке молодых специалистов ограничиваются разбором кризисных ситуаций, создаваемых инженерией, анализирует отрицательные воздействия создаваемых технологий, оборудования на окружающую нас среду [19, 20].

Передовые технологии с ростом степени автоматизации принесли с собой повышенные риски и рост сложности создаваемых систем. При этом конкурентная борьба требовала идти на риск после тщательной оценки возможных последствий, а углубление специализации продиктовано необходимостью междисциплинарных связей и построения интерфейсов.

Системотехника, или системная инженерия (англ. Systems Engineering), которая позиционируется как направление науки и техники, охватывающее

22

1.4. Системное проектирование как новая идеология подготовки профессиональных...

проектирование, создание, испытание и эксплуатацию сложных систем технического и социально-технического характера, в настоящее время наилучшим образом отвечает требованиям общества к деятельности инженера.

Системная инженерия принципиально отличается от электроники, радиотехники, энерготехники, механики и других инженерных дисциплин. Качественно новый уровень инженерной деятельности специалистасистемотехника достигается за счет следующих существенных особенно-

стей [15, 16].

1.В центре внимания системной инженерии находится система в целом. Под системой в системотехнике понимают совокупность взаимосвязанных компонентов, которые работают совместно для достижения общих целей. При этом простая сумма или объединение всех компонент не позволит получить систему с заданными свойствами, только возникновение системного эффекта порождает систему. Системный инженер смотрит на систему как снаружи (т.е. оценивает ее во взаимодействии с другими системами и окружением), так и изнутри. Сюда могут входить требования заказчика, определение условий эксплуатации, требования к квалификации обслуживающего персонала. При проектировании, создании и эксплуатации технического объекта или технологии необходимо учитывать, что, как система, они проходят жизненный цикл и подчиняются объективным закономерностям.

2.Основная цель системных инженеров – управлять сложными системами, но не следует забывать, что поиск идеи, проектирование и создание систем различной природы – это тоже система, только организационного типа, и профессиональные знания и навыки инженера-системотехника здесь не просто необходимы, а играют ведущую роль.

3.Системная инженерия «наводит мосты» между традиционными инженерными дисциплинами, т.е. элементы системы нельзя разработать независимо, а потом просто соединить, надеясь получить при этом работоспособную систему. Системный инженер должен направлять, координировать проектировщиков отдельных элементов, чтобы взаимодействие и сопряжение между элементами системы обеспечивали совместимость. Такая координация особенно важна, когда отдельные типовые модули проектируются, испытываются и поставляются различными организациями.

Системная инженерия базируется на следующих трех факторах [15, 16].

23

1.Особенности и роль творчества в инженерной деятельности

1.Технологический прогресс, т.е. инженер-системотехник обязан постоянно заниматься повышением своей квалификации, быть в тренде технологических достижений в человеко-машинном воздействии, программного обеспечения, робототехнических устройств.

2.Конкуренция – требует поиска лучших, передовых системных решений, для чего необходимо на различных уровнях системной иерархии искать компромиссы между альтернативными подходами.

3.Специализация – требует разбиения системы на составные части, которые могут быть спроектированы специалистами с учетом строгого правила сопряжения этих частей.

По мере того, как сложные системы (спутники, система управления воздушным движением, система слежения за грузовиками, ракеты, авиационные системы, электростанции) проникают в современное общество, а роль системной инженерии в их разработке растет, профессия системного инженера получает все более широкое признание.

Признание системной инженерии как профессии привело к образова-

нию International Council on System Engineering (INCOSE – международного совета по инженерии).

Системный инженер приобретает способность управлять разработкой не потому, что занимает должность, а благодаря превосходному знанию системы в целом, ее назначения, особенности работы ее частей, поскольку он на практике сумел доказать свое умение проводить сложные программы сквозь лабиринты трудностей к успешному финалу.

Основные черты инженера-системотехника [15, 16]

1.Системному инженеру предстоит работать на стыке разных дисциплин и от него требуется умение ухватывать суть каждой из них.

2.Инженер-системотехник обязан иметь способность к занятию наукой и обладать инженерной смекалкой, потому что таким людям гораздо легче дается изучение новых дисциплин. Дело не в том, чтобы глубоко знать высшую математику, а скорее в том, что человеку со слабой математической подготовкой трудно разбираться в предметах, имеющих в своей основе математические концепции.

3.У системного инженера должна быть творческая жилка и вкус к решению практических задач.

4.Подобные специалисты:

24

1.4.Системное проектирование как новая идеология подготовки профессиональных...

-получают удовлетворение от изучения нового и решения задач;

-любят, когда трудности бросают им вызов;

-скептически относятся к недоказанным утверждениям;

-открыты новым идеям;

-имеют фундаментальную подготовку в естественнонаучных и ин- женерно-технических дисциплинах;

-быстро усваивают новые идеи и информацию, иметь профессиональную мобильность;

-обладают навыками межличностного общения и коммуникативными способностями;

-имеют оптимистический настрой, владеют иностранными языками, увлекаются искусством.

К настоящему времени в области системного управления сформировался следующий процесс выработки решений – в соответствии с рекомендациями системного анализа в форме последовательности поэтапного рассмотрения задачи управления [15, 16].

Этап 1: определение цели (целей) организации, задание приоритетности целей.

Этап 2: выявление проблем, возникших в организации или которые могут возникнуть.

Этап 3: исследование проблем и причин нарушения работы организации или причин создания новой организации.

Этап 4: поиск решения (решений) проблемы.

Этап 5: оценка решения между экспертами или авторами предложенных решений.

Этап 6: согласование решений между экспертами или авторами предложений.

Этап 7: утверждение решений руководством организации. Этап 8: подготовка к вводу решений в действие.

Этап 9: управление принятым решением. Этап 10: проверка эффективности решения.

Однако перечисленные этапы в системном подходе могут реализовываться многократно и параллельно – это его отличительная черта по сравнению с другими методологиями. В процессе таких итераций обязательно осуществляется декомпозиция сложной задачи (проблемы, цели) на частные, более простые. Процесс декомпозиции прекращается, когда получают

25

1. Особенности и роль творчества в инженерной деятельности

частные задачи, имеющие типовые решения. При декомпозиции важно корректно выявить и не потерять связи и отношения между элементами декомпозиции (структуру, иерархию, дерево функций системы, дерево целей и т.п.), а также их характер. Именно эти связи и отношения становятся ключевыми составляющими на следующем этапе – при синтезе новых систем. Свойства и функции вновь синтезируемых систем определяются свойствами отдельных элементов и подсистем, а также силой и характером системообразующих связей и отношений, порождающих системный эффект.

Контрольные вопросы

1.Как соотносятся в современном обществе наука, инженерия и творчество?

2.Какие требования предъявляются к профессиональному инженеру?

3.Опишите универсальную формулу жизненного успеха. Какими составляющими формулы жизненного успеха вы уже обладаете и какие еще предстоит приобрести?

4.Почему несмотря на быстро меняющиеся условия деятельности инженера в современном обществе все-таки необходимо изучать опыт прошлых поколений?

5.Какие вам известны рекомендации по практическому применению формулы жизненного успеха?

6.Какова роль самоутверждения в инженерном творчестве?

7.Перечислите и поясните пять этапов самоутверждения.

8.Какие основные психологические факторы способствуют и препятствуют инженерному творчеству? Как можно преодолеть негативные факторы?

9.Что такое системотехника и в чем ее суть?

10.В чем заключаются особенности деятельности системного инжене-

ра?

11.Назовите основные профессиональные черты, которыми должен обладать инженер-системотехник.

12.Перечислите этапы системного подхода. В чем заключаются особенности системного подхода?

26

2.МЕТОДЫ ИНЖЕНЕРНОГО ТВОРЧЕСТВА

2.1.Противоречие как основа изобретательского творчества. Правила разрешения технических противоречий

Главный признак изобретательской задачи – наличие противоречий, устранение этих противоречий и составляет суть изобретения.

Противоречие требований порождается противоречием свойств элементов или подсистем системы. Например, традиционно предъявляемое требование повышения надежности радиотехнической системы обычно решается за счет структурного резервирования или введения функций самодиагностирования. Такие решения связаны с увеличением количества элементов или функций, а это, в свою очередь, приводит к снижению надежности.

Противоречие – это формулировка противоположного состояния того или иного свойства одного элемента системы, необходимое для реализации противоположных требований к системе [24].

Если противоречие требований может быть связано с разными элементами проблемной ситуации, то противоречие свойств относится к одному элементу рассматриваемой системы.

Воснове одного противоречия требований может быть несколько противоречий свойств [24]:

- они могут быть связаны со свойствами разных элементов одной и той же конфликтной ситуации;

- они могут быть связаны с разными свойствами одного и того же элемента, входящего в конфликтную ситуацию.

Таким образом, из одной проблемной ситуации можно выделить несколько противоречий требований, а для одного противоречия требований, как правило, можно выделить несколько противоречивых свойств. Решение каждого из этих разных противоречий может приводить и к разным концепциям решения изначальной проблемной ситуации.

ВТРИЗ под творческими, изобретательскими задачами понимают задачи, содержащие противоречие.

Приемы разрешения технических противоречий [1]:

27

2. Методы инженерного творчества

где ИКР – идеальный конечный результат; Fв.ф. – вредные функции системы; Fп.ф. – полезные функции системы.

Каждое изобретение призвано приближать систему к идеальной. Под идеальными системами понимают системы с минимальным весом, минимальными габаритами, максимальной надежностью, максимальным качеством выполнения функций и т.д., т.е. идеальная система не существует, но

еефункции выполняются.

Всистемном анализе изучается закономерность стремления систем к идеальности. Получить идеальную систему на практике невозможно, но стремление к ней практически оправдано. Стремление увеличивать надежность систем привела к появлению высоконадежных элементов с высокой вероятностью безотказной работы (а вероятность отказа у таких систем со-

ставляет всего 10-7 10-8). Стремление к уменьшению габаритов привело к минитюаризации вычислительных средств от первых огромных ламповых ЭВМ, занимавших сотни квадратных метров, до портативных устройств размером в десятки миллиметров.

Стремление к идеальности систем – это и источник различного рода противоречий, и общая цель решения изобретательских задач.

2.2. Изобретение как продукт творческого процесса

Творчество понимают достаточно в широком смысле, поэтому ограничимся определением из новейшего философского словаря, где под творче-

ством понимают конструктивную деятельность по созданию нового.

Ограничимся инженерным творчеством, о котором написано гораздо меньше, чем о творчестве литературном. Хотя благодаря именно творчеству инженеров создавались, создаются и будут создаваться технические средства, техногенная среда, где могут создавать свои шедевры творческие люди [9–12].

Труд имеет две принципиально разные формы: персональную и коллективную. Первая – сам придумал, сам сделал, сам нашел способ познакомить других с результатом своего творчества. Все сам! Когда публика отрицательно воспринимает творение, существует мощный фактор самоуспокоения: не поняли, не доросли!

В коллективном труде сочетается индивидуальное творчество с коллективным. Этот вид труда характерен для проектировщиков, конструкторов,

28

2.2. Изобретение как продукт творческого процесса

исследователей. В этом виде труда любое индивидуальное творение сразу становится достоянием группы людей, в которой работает человек. Любой чертеж имеет угловой штамп с надписями «разработал», «проверил», «утвердил». Это триединство отражает факт коллективного создания документа. Именно с чертежа начинается приучение человека к коллективному творчеству, которое считается высшей формой творчества, так как эта форма труда не только приучает человека творить совместно с другими, но и уважать мнение своих коллег.

Для творчества может быть три следующих побудительных причины

[5, 6, 12, 25].

1.Собственная инициатива творца: изобретатель самостоятельно обнаруживает противоречие в системе, техническом устройстве, выявляет прототипы и их недостатки. На основе имеющейся информации изобретатель предлагает свои технические решения, устраняющие противоречия.

2.Подсказка со стороны. Грамотный, профессиональный инженер не только создает технические системы и устройства, но и анализирует последствия их использования. Наиболее полную информацию может предоставить эксплуатирующий и обслуживающий персонал, однако не всегда удается грамотно и объективно задокументировать эту важную информацию. И хотя обслуживающий персонал является таким подсказчиком со стороны, все-таки изобретатель должен уметь фиксировать такие подсказки

иделать выводы, выявляющие противоречия и способы их преодоления.

3.Конкретный заказ конкретного лица с выдачей технического задания, в котором оговорены все требования заказчика к будущему изделию.

Последний мотив характерен для всех конструкторских бюро и проектных организаций. Конкретный заказ с выдачей технического задания – самый распространенный мотив, особенно в денежно-ориентированном обществе, где каждый заказ связан с определенным финансированием и направлен в конечном итоге на получение прибыли. Данная причина наиболее распространенная. Первым мотивом руководствуются изобрета- тели-одиночки. Они же нередко выступают в роли инициаторов второго направления творчества. К сожалению, в силу многих причин и прежде всего недостаточной профессиональной подготовки к широкой деятельности и восполнение этого недостатка самоучительством, одиночкиизобретатели не в состоянии решать проектные задачи в полном объеме. Отсюда сплошь и рядом конфликтные ситуации, для которых характерны

29

2. Методы инженерного творчества

упреки изобретателя в адрес специалиста в рутинности взглядов, а специалисты – в поверхностном подходе изобретателя к решению той проблемы, на которую он обратил внимание.

Иногда изобретатели и специалисты совместно реализуют крупномасштабные проекты. Есть ли возможность каждого специалиста сделать изобретателем, воспитать в нем жар, терпение, настойчивость изобретате- ля-одиночки? Это очень непростая проблема!

Дело в том, что у творчества две стороны. Одна – это скрытая от всех и плохо осознаваемая самим творцом. Это и есть сам процесс творчества, при котором непонятно (как для самого творца, так и для ученых, изучающих эти процессы), чем обусловлено и каким образом человек находит нетривиальные решения. Образы, неясные методики, общие концепции в дальнейшем должны быть обличены в конкретные формы, проработаны более детально. В коллективе к представлению решения одного специалиста добавляются представления других специалистов. Происходит оживленный обмен мнениями, критическими и поддерживающими замечаниями и в этом коллективном творчестве рождается решение задачи. В нем трудно отделить вклад одного специалиста от вклада другого – это результат коллективного творчества [8, 10, 12].

Процесс творчества приводит к творению сначала в тексте, в чертеже, в модели и, наконец, в макете. Это видимая сторона творчества доступная всем, кто пожелает с ней познакомиться или воссоздать его.

Исследование процесса творчества, как уникального явления, позволило специалистам найти некоторые общие опорные пункты, что позволяет сейчас говорить о существовании некоего алгоритма творчества. Придумано много способов, как научиться изобретать. Авторы предложений убеждены, что любому человеку по силам изобрести что угодно, если освоить приемы инженерного творчества и постоянно практиковаться в их. Эти же авторы и изобретают сами методы творчества.

Известный советский сторонник подобных внедрений Г. С. Альтшуллер посвятил две книги «Алгоритм изобретения» (1973), «Творчество как точная наука» (1978) пропаганде методов, якобы помогающих творческому процессу изобретений. Не менее убежденным сторонником научения алгоритмам изобретения является А. И. Половинкин, автор книги «Основы инженерного творчества» [12], где приведены описания многих методов, помогающих работе изобретателей. Первое место А. И. Половинкин отдает

30