Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Решение инженерных и творческих задач. Учебное пособие
.pdf
21
2.3. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРИНЦИПЫ
ОРГАНИЗАЦИИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Движущей силой развития ТС являются общественные потребности
и внутренние возможности ТС.
В этих условиях создание ТС по своему содержанию представляет собой
итерационный процесс решения двух проблем: анализа и синтеза системы.
Системный анализ сводится к принятию решения и построению ТС, обеспе-
чивающей выполнение функций, определяемых критериями эффективности ТС.
Функция — краеугольное понятие в теории инженерного творчества,
кратко характеризующее собой действие, поведение как реализацию свойств и
ТО или ее элементов.
Выполнение технических требований есть проявление ее функций ТС.
Законы функционирования, используемые при анализе и синтезе техни-
ческих систем, выступают как методы исследования, поэтому их называют
функциональными принципами.
Рассмотрим эти принципы.
1. Принцип совместимости функций, требующий увеличения степени со-
ответствия функций между элементами системы.
Пример: низкотемпературная изоляция в электронагревателе не способна
работать при высокой температуре (например, около электрической спирали).
2. Принцип актуализации функций, обеспечивающий переход свойств
элементов системы, используя различные функциональные возможности при
различных условиях функционирования.
Пример: свежий нагретый воздух, подаваемый в помещение.
3. Принцип лабильности (изменчивости) функций элементов системы при
различных условиях функционирования.
Пример: стимулирование развития или подавления жизнедеятельности
микроорганизмов при воздействии ультразвука различной интенсивности.
4. Принципы сосредоточения функций в одних и тех же элементах системы.
Пример: термозависимые резистивные электронагреватели как датчики
температуры.
Функциональный подход в системном анализе и синтезе ТО является
мощным инструментом активизации технического творчества, открывая эффективные методы поиска технических решений. Например, известен метод
функционально-стоимостного анализа (ФСА), когда каждая функция элемента
ТС оценивается в стоимостном (денежном) выражении.
22
2.4. СИСТЕМА КРИТЕРИЕВ ЭФФЕКТИВНОСТИ
И РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ СИСТЕМ
Эти критерии являются одновременно важнейшими показателями эффективности технических систем. Они выступают в качестве требований к оценке
качества технических систем.
Технические объекты (ТО) развиваются в соответствии с несколькими
ключевыми группами показателей:
• функциональные критерии определяют эффективность выполнения ос-
новных задач и важнейших характеристик ТО;
• технологические критерии отражают возможности и сложность произ-
водства ТО;
• экономические критерии устанавливают целесообразность использова-
ния ТО с точки зрения затрат и получаемой выгоды;
• антропологические критерии охватывают аспекты безопасности, ди-
зайна, гигиенических требований и удобства эксплуатации ТО.
Для эффективной оценки и развития техники система критериев должна
соответствовать следующим условиям:
• измеримость показателей — возможность количественной оценки по
одной из шкал: отношений, интервалов или порядка;
• сопоставимость данных — наличие единой системы измерений, поз-
воляющей сравнивать ТО разных времен и регионов, предпочтительно в безразмерных или удельных величинах;
• отсутствие негативных эффектов — учет параметров, которые могут
негативно влиять на развитие техники;
• стабильность критериев — постоянство условий исключения отрица-
тельных эффектов;
• минимальность и независимость — критерии не должны логически
вытекать друг из друга или быть производными от других групп показателей.
Систематический подход к выделению и описанию критериев позволяет: проводить объективную оценку существующих технических решений, оценивать перспективность новых разработок, осуществлять эффективный трансфер технологий между различными отраслями, выявлять возможности для
улучшения технических решений на основе опыта других областей.
Грамотное применение системы критериев способствует более эффективному развитию технических объектов и оптимизации процесса их совершенствования.
23
Функциональные критерии производственного ТО:
• критерий производительности т/ч, л/ч, т×км/ч, кВ×А, кВт×ч и др.;
• критерий механизации как отношение механической работы к сумме
механической и ручной работы;
• критерий автоматизации как отношение числа автоматически управля-
емых операций к сумме операций, производимой человеком и ТО;
• критерий непрерывности процессов обработки как отношения числа
операций с использованием непрерывных процессов к сумме непрерывных и
прерывистых процессов.
Функциональные критерии точности: измерения, попадания в цель, обработки материала, обработки потока энергии и потока информации.
Функциональные критерии надежности: безотказность, долговечность,
сохраняемость, ремонтопригодность.
Технологические критерии:
• трудоемкости изготовления ТО как затраты труда на единицу получае-
мой эффективности;
• технологических возможностей как суммы произведенного количества
стандартных (покупных) элементов и оригинальных элементов различной степени
сложности на их весовые (значимые) коэффициенты к сумме всех элементов.
Частным случаем этого критерия является критерий стандартизации
и унификации:
• полезное использование материалов как отношение массы ТО к массе
израсходованных материалов;
• расчленение ТО на элементы, обеспечивающие оптимальное упроще-
ние технологии разработки, доводки изготовления, ремонта, замены и модернизации изделий, как основы стандартизации и унификации.
Экономические критерии ТО:
• расхода материалов и энергии как отношение ТО к главному показате-
лю экономической эффективности (себестоимости и др.);
• затрат на информационное обеспечение как отношение затрат на под-
готовку и обработку информации к главному экономическому показателю;
• габаритных размеров ТО как отношение объема к его экономической
эффективности и др.
Антропологические критерии:
• эргономичности как отношение реализуемой эффективности эргатиче-
ской человеко-машинной системы к максимально возможной (коэффициент
полезного действия человека);
• эстетичности, безопасности, экологичности как отношение соответ-
ствующей фактической величины к нормативной.
24
2.5. ОБЩИЕ ЗАКОНЫ СИСТЕМАТИЗАЦИИ
И РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ
Наивысший уровень инженерного творчества заключается в выявлении и
использовании законов и закономерностей техники.
1. Закон прогрессивной эволюции техники определяет цикличный переход
от поколения к поколению в результате устранений выявленных противоречий
и повышением критериев эффективности.
Как следствие, использование этого закона позволяет прогнозировать из-
менение критерия эффективности и другие исследования ТО.
2. Закон соответствия между функцией и структурой отражает системную целостность ТО, когда исключение любого из элементов ухудшает критерий эффективности или ведет к прекращению его функций.
На основе этого закона разработаны методики построения и анализа
функциональных структур, конкретных ТС, а в последние десятилетия развивается методология компьютерных информационных технологий исследования и
анализа сложных ТО.
3. Закон стадийного развития техники связан с последовательной реализацией четырех фундаментальных функций, обеспечивающихся человеком в
процессе труда по созданию ТО:
1) технологическая;
2) энергетическая;
3) управления;
4) планирования объема и качества продукции.
4. Закон однородного ряда ТО, отличающихся значением главного функ-
ционального параметра.
Позволяет использовать закономерность корреляции других параметров
этого ряда.
5. Закон симметрии и асимметрии ТО, нарушение которого ухудшает
техническое решение и пути усложнения в развитии технических систем.
6. Закон гомологических рядов. Позволяет прогнозировать появление новых технических решений по аналогии с открытием новых химических элементов с помощью периодической таблицы Д. И. Менделеева.
7. Закон расширения множества потребностей-функций — при наличии
необходимого потенциала и социально-экономической целесообразности возникает новая потребность, которая удовлетворяется с помощью впервые созданных ТО; при этом возникает новая функция, которая затем существует как
25
угодно долго, пока ее реализация будет обеспечивать сохранение и улучшение
жизни потребителя.
Число таких потребителей-функций со временем монотонно и ускоренно
возрастает по экспоненциальному закону.
2.6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УКЛАДЫ
Технологический уклад — совокупность взаимосвязанных и согласо-
ванных технологических процессов и механизмов, соответствующих уровню
техники и квалификации работников и обеспечивающих получение конечного
продукта. Он важен для понимания процессов инновационного техникотехнологического развития и места государства в мировой экономике.
Технологический уклад используется в качестве инструмента описания
долгосрочного технико-экономического развития народного хозяйства стран.
Классификация технологических укладов включает 5 видов и 6 характе-
ристик каждого уклада. Например, ключевыми факторами укладов являются:
1-й уклад (1770–1830) — текстильные машины;
2-й уклад (1830–1880) — паровой двигатель, станки;
3-й уклад (1880–1930) — электродвигатель, сталь;
4-й уклад (1930–1980) — ДВС, нефтехимия;
5-й уклад (1980–2100) — микроэлектронные компоненты, биотехнология.
Лидеры 5-го уклада: Япония, США, Германия, Швеция, Тайвань, Корея,
Канада, Австралия.
Ядро 5-го технологического уклада: электронные процессоры, ВТ, волоконно-оптическая техника, ПО, телекоммуникация, робототехника, производство и переработка газа, информационные технологии и услуги.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Охарактеризуйте систему подходов в инженерном творчестве.
2. Что означает системное противоречие?
3. Приведите примеры функциональных принципов организации техни-
ческих систем.
4. Охарактеризуйте систему критериев эффективности развития техники.
5. Назовите законы систематизации и развития техники.
6. Что такое технологический уклад?
26
ТЕСТ
1. Что является ключевым отличием системного мышления от тради-
ционного аналитического?
а) рассмотрение объекта в изоляции;
б) фокус на отдельных компонентах;
в) анализ взаимосвязей между элементами системы;
г) игнорирование контекста.
2. Какой из перечисленных принципов не относится к основам системно-
го мышления?
а) целостность системы;
б) иерархичность строения;
в) линейность связей;
г) взаимозависимость элементов.
3. Что такое обратная связь в контексте системного мышления?
а) механизм передачи информации только в одном направлении;
б) процесс передачи информации между элементами системы в обоих
направлениях;
в) способ изоляции элементов системы;
г) метод последовательного анализа компонентов.
4. Какая из перечисленных характеристик не является свойством системы?
а) эмерджентность;
б) детерминированность;
в) статичность;
г) структурность.
5. Что представляет собой системный подход в инженерном творчестве?
а) последовательный анализ отдельных компонентов;
б) рассмотрение объекта как набора независимых элементов;
в) комплексный анализ взаимосвязей между элементами;
г) фокус исключительно на выходных параметрах.
6. Какой метод не относится к инструментам системного анализа?
а) диаграмма Исикавы;
27
б) SWOT-анализ;
в) линейное программирование;
г) морфологическая матрица.
7. Что такое системный эффект?
а) сумма эффектов отдельных компонентов;
б) результат взаимодействия элементов системы;
в) эффект от изоляции компонентов;
г) результат последовательного анализа.
8. Какая из перечисленных ошибок является типичной при системном
анализе?
а) учет всех взаимосвязей;
б) игнорирование контекста системы;
в) применение математических методов;
г) использование графических моделей.
9. Что является первым этапом системного анализа?
а) постановка цели;
б) определение компонентов;
в) анализ связей;
г) моделирование.
10. Какой из перечисленных методов не относится к визуализации си-
стемных связей?
а) графы связей;
б) сетевые диаграммы;
в) линейные графики;
г) концептуальные карты.
28
3. СИСТЕМОЛОГИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ ЗАДАЧ
И МЕТОДОВ ТЕХНИЧЕСКОГО ТВОРЧЕСТВА
3.1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ПОТРЕБНОСТЬ
И КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
Техническая потребность производства возникает в результате индивидуальных или общественных запросов на новые технические средства и технологии производства продукции как объективная необходимость совершенствования и обновления производства.
В XX в. изобретено, придумано и создано больше, чем было сделано че-
ловеком за все предыдущие столетия.
Природа этой потребности имеет двоякий характер: опережающее осознание перспективных потребностей инженерами в творчестве высших достижений и «социальный запас» как реакция общества и производства на отставание существующего уровня техники от необходимого.
«Техническая потребность может быть удовлетворена лишь при наличии
технической возможности, то есть комплекса физических, экономических, материальных, энергетических и других ресурсов. Противоречия между потребностью и технической возможностью порождают проблемные ситуации, которые стимулируют техническое творчество»1.
Проблема — это потенциальная цель (задача), для которой еще не
найдены альтернативные способы ее достижения или не представляется возможным выделить ресурсы на поиск альтернатив для ее решения, или то и другое вместе.
Виды технических противоречий:
• между предметом труда и техническими средствами;
• между техникой и человеком в процессе труда;
• внутренние в технической системе или между техническими системами
или средствами.
Выявление технического противоречия и результаты анализа его специфических особенностей приводят к постановке технической задачи. Техническая
задача — это формулировка условий для достижения поставленной цели. В ее
структуре выделяют указание на достигнутый результат, условия функционирования разрабатываемого технического средства и осуществление решения.
1
Глозман А.Б. Техника и наука в их историческом взаимодействии // Философия и общество. № 4 (41).
2005. URL: https://www.socionauki.ru/journal/articles/126793/ (дата обращения: 14.07.2025).
29
Реализация (решение) технической задачи возможна при возникновении
идеи, то есть принципа устранения противоречия, выраженного в идеальной
форме. Это и есть центральная проблема творческого акта инженерной
деятельности.
Материализация идей осуществляется в виде технических решений различного вида (рацпредложение, ноу-хау, полезные модели и др.).
Техническое решение — это система средств, реализующих идею и
направленных на устранение противоречий и удовлетворение потребностей.
Стандартная методология решения технических задач включает следующие 5 основных этапов:
1. Подготовка: выявление потребности, поиск информации, выбор
направления.
2. Замысел: анализ информации, постановка задачи и выбор средств для
ее решения.
3. Поиск решения: генерирование, апробация и верификация (оценка
правдоподобия) идей.
4. Конкретное решение, его опытная проверка и оформление.
5. Техническая реализация решения.
На первом этапе необходимо разглядеть, осознать проблемную ситуацию
технического противоречия. Для этого требуются творческое воображение и
хорошее знакомство с информацией, которые позволяют понять, в чем именно
состоит противоречие между потребностью и возможностью ее удовлетворения. Важнейшим моментом в решении технической задачи является определение возможных путей и средств для ее решения.
На втором этапе производится анализ собранной информации, формулируется задача и определяются необходимые средства для ее решения. На этом
этапе важно задокументировать все промежуточные результаты.
На третьем этапе происходит генерация идей, апробация предложенных
решений, а также проверка достоверности предложенных идей. На данном этапе важно продумать и учесть все возможные риски.
На следующем этапе разрабатывается конкретное решение, то, на котором остановился наш выбор. Особое внимание уделяется детальной проработке
выбранного решения, проведению опытной проверки и оформлению документации. При необходимости, на данном этапе можно привлечь экспертов, также
возможно возвращение к предыдущим этапам. Важно помнить, что весь процесс может повторяться циклически.
30
Последний этап — техническая реализация принятого решения и внедрение в практическое применение.
Такой системный подход позволяет эффективно решать технические задачи любой сложности, минимизируя риски и обеспечивая высокое качество
конечного результата.
3.2. МЫШЛЕНИЕ ПРОРЫВА В ИНЖЕНЕРНОМ ТВОРЧЕСТВЕ
Разрыв между знаниями, потребностями, решениями и результатами, который преодолевается применением принципов Мышления прорыва как преодоления объективных противоречий между ними.
Семь принципов Мышления прорыва2:
1. Принцип уникальности.
Каждая проблема по-своему уникальна и может потребовать уникального
решения.
2. Принцип целенаправленности.
Сосредоточение на целях и их расширении, помогающее отбросить несущественные аспекты проблемы.
3. Принцип опоры на конечное решение.
Ориентация на будущее целевое решение дает направление для выработки решений ближайших перспектив и встраивание их в решение более крупных
задач, в дерево целей-задач.
4. Принцип системности.
Каждая проблема есть часть более крупной системы проблем, поэтому
решение одной проблемы неизбежно влечет за собой появление следующей.
Четкое представление о структуре решения и составляющих ее элементах и измерениях (оценках) обеспечивает его работоспособность и реализуемость.
5. Принцип ограниченности сбора информации.
Накопление избыточного количества данных сделают из вас эксперта
в области рассматриваемой проблемы, но способно помешать обнаружить ряд
ценных альтернатив решения.
6. Принцип работы с людьми.
Необходимо самым тесным образом и на постоянной основе подключать
к процессу выработки решения тех, кто будет его реализовывать и непосредственно использовать.
2
Breakthrough thinking by Gerald Nadler and Shozo Hibino. Rocklin: Prima Publishing, 1994.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]