Учебное пособие подготовлено в соответствии с Программами кандидатских экзаменов по «Истории и философии науки» для аспирантов и соискателей технических специальностей философия техники
| Вид материала | Учебное пособие |
- Учебное пособие для аспирантов и соискателей, 4242.33kb.
- Учебное пособие для аспирантов и соискателей, 5113.4kb.
- С. А. Чернов Кандидатский экзамен по истории и философии науки учебно-методическое, 1197.54kb.
- Программа кандидатских экзаменов по философии для аспирантов и соискателей, 787.68kb.
- Курс «История и философия науки» является одной из дисциплин кандидатского минимума., 407.06kb.
- В. М. Юрьев программа-минимум кандидатского экзамена по «Истории и философии науки», 1223.52kb.
- Программа учебной дисциплины «История и философия науки» («Философия науки»), 263.66kb.
- Планы лекций и семинарских занятий по истории и философии науки для аспирантов и соискателей, 255.33kb.
- Программа курса для аспирантов и соискателей Петрозаводск, 307.19kb.
- Методические материалы для подготовки к кандидатскому экзамену по историни и философии, 1834.32kb.
19 Проблемы системотехники
Возрастание специализации различных видов инженерной деятельности во второй половине ХХ века привело к необходимости её теоретического описания. Выделение в сфере инженерной деятельности проектирования и его обособление к самостоятельную область деятельности привело к кризису традиционного инженерного мышления, ориентированного на приложение знаний лишь естественных и технических наук и на создание относительно простых технических систем. Наряду с прогрессирующей дифференциацией инженерной деятельности по различным отраслям и видам, нарастает процесс её интеграции. Для осуществления интеграции требуются особые специалисты – инженеры-системотехники. Инженерная деятельность становится весьма сложной, требующей организации и управления человеко-машинными системами. В этих условиях формируется системотехническая деятельность, направленной на создание сложных технических систем.
Анализ системотехнической деятельности показывает, что она неоднородна и включает в себя различные виды инженерных разработок и научных исследований. В неё оказываются вовлеченными многие отраслевые и академические институты. Над одними и теми же проектами трудятся специалисты самых различных областей науки и техники. В силу этого координация всех аспектов системотехнической деятельности оказывается нетривиальной научной, инженерной и организационной задачей. Для подтверждения сказанного отметим, что системотехническая деятельность осуществляется различными группами специалистов, занимающихся разработкой отдельных подсистем. Расчленение сложной технической системы на подсистемы идет по разными признакам: в соответствии со специализацией, существующей в технических науках; по области изготовления относительно проектировочных и инженерных групп; в соответствии со сложившимися организационными подразделениями. Кроме того, для реализации системотехнической деятельности требуется группа особых специалистов-координаторов – главный конструктор, руководитель темы, главный специалист проекта или службы научной координации, руководитель научно-тематического отдела. Эти специалисты осуществляют координацию и научно-тематическое руководство и в плане объединения различных подсистем, и в плане объединения отдельных операций системотехнической деятельности в единое целое.
Подготовка такой группы специалистов-координаторов требует развернутого представления о методах описания системотехнической деятельности. Среди имеющихся способов такого описания рассмотрим три основных: членение системотехнической деятельности по объекту (этапы разработки системы); описание последовательности фаз и операций системотехнической деятельности; анализ её с точки зрения кооперации работ и специалистов.
Этапы разработки системы выделяются в соответствии с членением системотехнической деятельности по объекту. В ходе проектирования изменяется представление о сложной технической системе, происходит последовательная конкретизация моделей этой системы.
Рассмотрим этот способ описания системотехнической деятельности на примере работы У. Гослинга «Проектирование технических систем». В ней представлены общие процедурные правила создания систем на различной материальной основе. Системотехническая деятельность рассматривается как процесс синтеза функциональной модели системы и затем её преобразования в структурную модель (или её реализации). Каждый этап связывается с определенными средствами символического и графического представления системы. Функциональная модель воспроизводит протекание в реальной системе субстанции (вещества, энергии или информации). Гослинг назвал такую модель поточной системой. В ней могут вводиться определенные промежуточные преобразования, т.е. описываться операции, которые выполняет каждый элемент системы по отношению к внутреннему потоку. В качестве функциональных моделей могут быть использованы, например, алгебраические модели.
Структурные модели делятся на диаграммы протекания субстанции и блок-схемы. Диаграмма протекания субстанции показывает последовательность операций и дает минимум информации о плане построения системы. В блок-схеме даны форма субстанции на входах одного и выходах другого элемента. Для этой цели используются особые элементы – трансдьюссеры-преобразователи формы субстанции.
В функциональной модели строгая последовательность может и не соблюдаться. Эта модель может быть получена с помощью аналогий, либо задача сводится к подсистемам, либо модель составляется с помощью модификации некоторых элементов доступной системы. Для создания системы необходимо сочетание блок-системы, поточной диаграммы и функциональной модели. В результате получается некоторое целостное описание системы, составляющие которой взаимно дополняют друг друга.
Членение системотехнической деятельности по объекту во многом зависит от того, каким образом представляется инженером-системотехником сама сложная техническая система. Такое членение определяется не только объективными характеристиками, но и возможностями проектирования, изучения, изготовления этой системы. Оно используется для организации функционирования подсистем и объединения их в единую систему.
Второй способ описания системотехнической деятельности заключается в выделении в ней последовательности фаз, а в самих этих фазах – цепи действий, или обобщающих операций. Описание системотехнической деятельности как последовательности фаз и операций соответствует её разбивке с точки зрения временной организации работ, параллельной и последовательной связи между ними, возможности выделения фрагментов деятельности. Это представление системотехнической деятельности используется главным образом для синхронной организации и установления последовательности операций (алгоритма разработки системы). Оно также служит средством решения задачи автоматизации проектирования сложных технических систем.
Обычно системотехническая деятельность распадается на следующие шесть фаз: подготовка технического задания (иначе, аванпроекта) – предпроектная стадия; разработка эскизного проекта; изготовление; внедрение, эксплуатация и оценка. В современных условиях иногда добавляется ещё одна фаза – «ликвидация», или «уничтожение» системы. На каждой фазе системотехнической деятельности выполняется одна и та же последовательность обобщенных операций. Эта последовательность включает в себя анализ проблемной ситуации, синтез решений, оценку и выбор альтернатив, моделирование, корректировку и реализацию решения.
Системотехническая деятельность как последовательность фаз, шагов и задач наиболее развернуто представлена в книге М. Азимова «Введение в проектирование». В книге подробно рассмотрены три фазы: изучение осуществимости, предварительное проектирование и детальное проектирование. Дается следующая хронологическая структура этих фаз.
Первом шаге изучения осуществимости начинается с анализа потребностей Цель данной фазы – выявление множества пригодных решений проектной проблемы. Начальной точкой системотехнической деятельности является гипотетическая потребность, существующая в определенной социально-экономической сфере. Обычно потребность проявляется тогда, когда становится возможной её экономическая реализация. Она предполагает определенное техническое исполнение, такую техническую систему, которая делает её удовлетворение возможным.
Во втором шаге изучения осуществимости исследуется порожденная потребностью проектная проблема. Прежде чем пытаться найти возможные её решения, проектная проблемы должна быть определена и сформулирована. В инженерной формулировке проблемы, являющейся результатом «идентификации системы», определяются параметры системы, ограничительные условия и главные проектные критерии. Проектируемая система рассматривается как «черный ящик», содержание которого неизвестно.
Третий шаг изучения осуществимости представляет собой синтез возможных решений. Синтез заключается в «прилаживании» друг к другу частей или отдельных идей проекта с целью получения интегрированного целого. Из полученных в результате синтеза множества внушающих доверие альтернативных решений должны быть выбраны потенциально пригодные решения проблемы. Каждое из них является абстракцией, идеализацией, которая учитывает только некоторые главные факторы, но опускает многие второстепенные факторы. Последние могут, однако, иметь решающее значение при выяснении возможности или невозможности данного решения.
Поэтому четвертый шаг изучения осуществимости заключается в определении физической реализуемости решений проблемы.
На пятом шаге изучения осуществимости из реализуемых решений выбираются экономически рентабельные решения.
Однако может оказаться, что даже экономически рентабельные решения проектной проблемы не могут быть реализованы, если этого не позволяют имеющиеся финансовые ресурсы. В результате определения финансовой осуществимости (шестой шаг) остается множество пригодных решений, которые и являются результатом первой фазы.
Вторая фаза – предварительное проектирование – имеет целью установить, какая из предложенных на предыдущей фазе альтернатив является наилучшей проектной идеей. Результатом этой фазы является общая идея системы, которая будет служить руководством для детального проектирования.
Первый шаг заключается в выборе из проектных идей. Должно быть определено наиболее перспективное решение как предварительная идея проекта.
Второй шаг состоит в формулировке математических моделей как прототипов проектируемой системы.
В результате анализа чувствительности системы (третий шаг) за счет экспериментирования с её входами и выходами определяются критические проектные параметры, точные пределы чувствительности системы на внешние воздействия. Определяются минимальные воздействия на входы (независимые переменные), которые ведут к изменениям выходов (зависимые переменные).
На четвертом шаге система должна быть представлена как объект, сам являющийся комбинацией объектов на нижележащем уровне сложности, которые представляют собой подсистемы и могут быть комбинацией компонентов, состоящих, в свою очередь, состоящих из более мелких частей. На этом шаге производится анализ совместимости. В результате этого шага получаются «пригнанные параметры». Поскольку система действует в динамической окружающей среде, она должна иметь такую стабильность, при которой изменения в среде не были причиной «катастроф» в системе.
Цель анализа стабильности (пятый шаг) - исследовать поведение системы в необычных обстоятельствах, чтобы была уверенность, что система как целое не является нестабильной, а также определить области, в которых проектные параметры являются нестабильными. Для этого определить риск и последствия изменений окружающей среды, которые могли бы быть причиной «катастроф» в системе.
До шестого шага главные параметры не фиксировались по определенному и единому значению. На стадии оптимизации проектного решения это необходимо сделать. Таким образом, на шестом шаге осуществляется окончательный выбор наилучшего решения среди нескольких альтернатив.
Седьмой шаг предварительного проектирования называется «проекция в будущее». Действительно, некоторые компоненты системы устаревают прежде, чем её проектирование будут завершено. Поэтому проектировщик должен знать общее направление и тенденции технического развития. Могут измениться также вкусы потребителей или предложения конкурентов, т.е. социально-экономические условия.
На восьмом шаге предполагается изучить, как сама система будет вести себя в будущем (предсказание поведения системы).
Девятый шаг осуществляется в испытательной лаборатории, где производится экспериментальная проверка идеи. Испытания не ограничиваются только доказательством удовлетворенности работы системы или её компонентов. Они могут также ответить на вопрос о физической реализуемости системы.
Наконец, в результате проделанных шагов проект становится весьма сложным. Поэтому десятый шаг заключается в устранении ненужной сложности, в упрощении проекта.
Третья фаза – детальное проектирование. Цель этой фазы – довести предварительную идею системы до физической реализации и разработать окончательную конструкцию системы. Общая идея системы зафиксирована, подсистемы точно определены, имеется предварительное решение выполнения проекта полностью. Для выполнения проекта нужны специалисты, время и деньги.
На первом шаге (подготовка к проектированию) обосновывается бюджет и осуществляется организация проектирования.
Второй шаг заключается в общем проектировании подсистем по тем же этапам, что и предварительное проектирование системы в целом.
В соответствии с предварительными планами подсистем разрабатываются проекты компонентов (третий шаг).
Результаты проектирования компонентов фиксируются в предварительных планах, которые являются основой для детального проектирования частей, являющихся элементарными составляющими компонентов (четвертый шаг).
Наконец, возникает вопрос о физической реализации, который при проектировании подсистем и компонентов был относительно второстепенным. Необходимо решить, каковы должны быть форма, материал и набор инструкций (например, способы обработки материала) для производства частей. Все это фиксируется в детальных чертежах и в спецификациях к ним. Предварительный план компонента должен быть заменен теперь точным и окончательным сборочным чертежом. Этот процесс, составляющий содержание пятого шага, является итерациональным. При подготовке сборочных чертежей происходит корректировка чертежей подсистем, компонентов и частей.
Имея полные сборочные чертежи, экспериментальная мастерская может построить первые материализованные прототипы – экспериментальную конструкцию системы (шестой шаг).
На седьмом шаге, после того, как экспериментальная конструкция изготовлена, составляется программа проверки продукта. Центральным становится вопрос, хорошо ли работает система с точки зрения потребителя.
На основе анализа проверочных данных (восьмой шаг) производится обнаружение дефектов, которые служат основой для перепроектирования и усовершенствования системы (девятый шаг) до тех пор, пока окончательное инженерное описание проекта не будет выполнено.
Фаза детального проектирования системы на этом заканчивается, но ею не завершается системотехнический цикл. Он включает в себя ещё планирование производства, распределения потребления и снятие с эксплуатации.
Возможно описание системотехнической деятельности с точки зрения кооперации работ и специалистов. Пример такого описания можно найти в книге Г.Х. Гуда и Р.Э. Макола «Системотехника».
Каждую научную дисциплину, участвующую в создании сложной технической системы, фактически представляет тот или иной специалист. Например, исследователь операций рассматривается как член бригады проектировщиков, что накладывает на него некоторые обязательства (знакомство с аппаратурой и помощь в принятии решений по проекту). Каждая фаза также связывается с определенным составом бригады системотехников. Каждый член бригады должен быть ещё и специалистом в какой-нибудь узкой области (электронике, математике). Задача инженера-системотехника состоит в организации различных специалистов между исследованием и разработкой, возможность и необходимость дублирования работ над проектом, а также способы организации работы по проектированию системы.
Авторы представляют подробное описание научных средств и дисциплин, используемых в системотехнической деятельности, из которого видно, что их арсенал не ограничивается естественными и техническими науками, а включает в себя также инженерно-экономические исследования, индустриальную психологию и инженерную психологию, необходимую, например, для проектирования деятельности человека-оператора в сложной технической системе.
Таким образом, выход инженерной деятельности в сферу социально-технических и социально-экономических разработок привел к обособлению проектирования в самостоятельную область деятельности и трансформацию его в системное проектирование, направленное на проектирование человеческой деятельности, а не только на разработку машинных компонентов.
- Проблема технической реальности
Инженерия позволила осознать, что изготовление устройств, действующих на основе расчета процессов природы, отличается от других видов изготовления, где действие природных процессов невозможно рассчитать и задать. Продукты инженерной деятельности и стали преимущественно называть техникой. Другой фактор, способствующий обнаружению технической реальности – осознание все возрастающего значения, которое продукты инженерной деятельности стали оказывать на жизнь человека и общества. Третий фактор – появление специальной группы инженерных процессий, технического образования, технических наук.
Об осознании технической реальности свидетельствовало обсуждение особенностей и природы технических наук в методологии науки, а также в философии техники.
Существует довольно много работ по философии техники, авторы которых пытаются установить «законы развития техники». Но такого рода авторы понимают технику прежде всего субстанционально, как технические сооружения. А в таком случае выделенные этими исследователями «законы развития техники» представляют собой просто эмпирические наблюдения.
Можно ли говорить о «законах развития техники»? Ясно, что это не законы природы. Вместе с тем, это и не чистые законы деятельности. Законы развития техники – это законы, которым подчиняются артефакты. На изменение техники оказывают влияние и законы деятельности, и семиотические законы, и смена культур, но также итоги развития самой техники. Попробуем выделить законы техники.
1.«Закон подобия». Как деятельность может воспроизводиться рецептурно, в соответствии с какими-то правилами, по образцам, так и создание новой техники часто осуществляется в соответствии с идеями сходства или подобия тех или иных технических устройств или их элементов. Подобное сходство можно определить как «закон подобия».
2. «Закон технического эффекта». Открытие нового природного процесса зачастую приводит и к созданию новой техники. Если это происходит, то можно говорить о действии «закона технического эффекта».
3. «Закон инженерной гомогенности». Одно из направлений создания новой техники или совершенствования существующей состоит в сведении технических устройств к таким, которые можно описать на основе существующих естественных или технических наук. В результате технические устройства гомогенизируются относительно инженерной деятельности.
4. «Закон технологической гомогенности». Гомогенизация структуры технического устройства осуществляется не только относительно инженерной деятельности, но и технологии. Закон технологической гомогенности определяет возможность новых синтезов разных типов естественнонаучных и технических знаний, деятельностей, сфер, что и составляет основу технологии.
5. «Закон функциональности». В соответствии с этим законом одни технические устройства и решения влекут за собой другие в силу возникновения новых функций. Так создание машин сделало необходимым разработку органов управления машинами. Создание органов машинного управления привело к разработке систем контроля и обратной связи. Создание технических систем с большим количеством элементов и повышенными требованиями к их работе – к разработке систем надежности.
6. «Закон технобиологического подобия» (Закон Кудрина). В.И. Кудрин показал, что массовом проектировании и производстве технических изделий, каждое из которых фиксируется в документах (проектных, технологических, эксплуатационных), технические изделия начинают «вести» себя как биологические особи в популяциях.
7. «Закон концептуализации техники». С появлением различных форм осознания техники (в сфере профессионального самосознания, методологии науки и инженерной деятельности, технического образования, философии техники) на развитие техники существенное влияние стали оказывать «концепции техники». Идеи и концепции механизма и машины, дизайнерские теории техники, системотехника, бионика, технологические концепции техники – отдельные примеры подобных концепций техники, оказавших огромное влияние на её развитие.
21 Проектно-конструкторская деятельность
Одной из ключевых проблем в сфере технических наук является разработка методологических оснований общей теории технических систем (ОТТС). Одной из существенных особенностей современного технического знания является обилие частных, узкоспециальных теорий. Дифференциация технических знаний намного опережает процесс их интеграции. Это обусловлено прикладных характером технического знания. Например, общая теории обработки материалов как базовая наука, включающая в себя теоретический анализ всей совокупности технических средств обработки различных конструкционных материалов (резанием, давлением, физико-механическими, лазерными средствами), стала формировать только в 80-е годы ХХ века.
Однако анализ функционирования современных автоматических систем в самых различных отраслях материального производства показывает, что при всем многообразии их видов они основываются на общих технических принципах. Причем количество технологических схем, разновидностей структурного синтеза машин и механизмов сравнительно ограничено. Поэтому, например, автоматические устройства для управления летательными аппаратами вполне могут быть использованы также и при регулировании процессов в котлах, печах, прокатных станах и других технических устройствах. Известно также, что методы для решения задач синтеза шарнирных механизмов могут быть успешно перенесены на другие виды механизмов, включая комбинированные механизмы с гидравлическими, пневматическими и электронными устройствами.
Специалисты отмечают, что машины постепенно утрачивают свое отраслевое назначение. Этот процесс обусловлен тем, что в проектно-конструкторской деятельности человека ставится в конечном счете одна, хотя и сложная, многогранная цель: приспособить вещество и процессы природы в форме технических средств к человеческим потребностям. Каждое отдельное техническое средство в своих самых общих чертах является искусственно преобразованным природным веществом или процессом, выполняющим функции повышения эффективности человеческой деятельности.
Качественная специфика современной техники наиболее концентрированно проявляется в том, что технические объекты принимают форму технических комплексов. Развитие автоматических технических систем приводит к превращению их в большие отраслевые объединения, разрастающиеся в форме единых технологических, энергетических, транспортных, информационных комплексов до масштабов страны. Поэтому «отдельно взятая машина» утрачивает своё доминирующее значение, а возникает необходимость разработки теоретических основ создания комплексов, состоящих из технологических, транспортных, энергетических информационных машин. Отсюда ясно, что возникает задача создания общей теории технических систем. Ведущим объектом в системе современных технических наук является автоматический машиностроительный комплекс.
В.И. Ленин: «Прогресс техники в том и выражается, что человеческий труд… отступает на задний план перед трудом машин». (Ленин В.И. Полн. собр. соч. Т. 1. С. 78).
Технические науки как относительно самостоятельная система знаний имеют специфический предмет исследования – технические объекты. Всякий технический объект характеризуется следующими свойствами: 1. быть искусственно преобразованным фрагментом природы; 2. изменять вовлеченные в предметную деятельность вещества и процессы природы с целью удовлетворения общественных потребностей; 3. повышать эффективность человеческой деятельности.
Технические объекты представляют собой результат многоэтапного превращения природных объектов в социальную форму бытия материи, то есть в искусственные материальные образования, становящиеся средством человеческой деятельности.
Как отмечал Ф., «если у общества появляется техническая потребность, то это продвигает науку вперед больше, чем десяток университетов». Соч. Т. 39, С. 174).
Взаимосвязь «технических потребностей общества» и технических наук опосредована рядом факторов, формирующих «социальный заказ» техническим наукам, их методологическую стратегию. Стержень методологической стратегии технических наук составляет их постоянная направленность на создание технических объектов, удовлетворяющих социально-значимые технические потребности.
Социальная функция технических потребностей общества выражается не в определении конструктивных характеристик технических объектов, а в постановке проблемы в виде социально-технического противоречия, которое может быть разрешено созданием определенных технических объектов. Это противоречие выступает в качестве «социального заказа», выраженного в самой общей форме. Задача технических наук – конкретизировать его, перевести на уровень социально-технической проблемы.
Например, развитие промышленности и транспорта в 19 веке выдвинуло ряд социальных проблем, отражавших возникновение противоречия6 создание двигателя, пригодного для применения в любых отраслях народного хозяйства, повышение коэффициента полезного действия паровой машины. Однако техническое решение этих проблем было ещё крайне неопределенным. Появление паровых турбин и двигателей внутреннего сгорания приводило лишь к частичным их решениям. Как утверждают ученые, вопрос был не столько в двигателе, сколько в изыскании нового способа распределения и передачи механической энергии на значительное расстояние. «Проблему разрешила лишь динамомашина. После открытия принципа обратимости она превратилась также и в двигатель, и, таким образом, возникла целостная энергетическая система… Лишь в этой системе усовершенствованные первичные двигатели оказались адекватными потребностям новой эпохи». (Динамомашина в её историческом развитии. Л., 1934. С. Х.).
В процессе решения социально-технических проблем вычленяется целая совокупность собственно технических противоречий, свойственных каждому техническому параметру создаваемого объекта (быстродействие, надежность, сложность, прочность и т.п.). Технические науки изыскивают оптимальные варианты их разрешения в соответствии с заданной социальной функцией. В ходе таких исследований происходит приращение технического знания. Таким образом, преодоление социальных, социально-технических и собственно технических противоречий можно считать источником и движущей силой развития технических наук.
Задача состоит в превращении «процесса производства из простого процесса труда в научный процесс, ставящий себе на службу силы природы и заставляющий их действовать на службе у человеческих потребностей…». (Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Т. 46. Ч. 11. С. 208).
Автоматизированное проектирование (САПР) технических объектов представляет собой систему «человек-машина», функция которой состоит в осуществлении научно-исследовательских и проектно-конструкторских разработок новой техники с участием ЭВМ.
«Машина должна…не угадывать конструкции, а по готовой конструкции проверять, удовлетворяет ли она тем или иным свойствам, применяя для этого логический аппарат». «Управление, информация, интеллект. М., 1976. С. 306).
Ведущие ученые в области теории и практики создания машин характеризуют этап проектирования как особую, ведущую стадию в проектно-конструкторской деятельности. Так, известный авиаконструктор А.С. Яковлев выделяет ряд познавательных процедур, свойственных стадии проектирования: выдвижение идеи нового самолета, основных «черт лица» будущей машины, её летных данных, очертаний, наивыгодных размерностей самолета. «Над предварительным проектом… работает небольшая группа конструкторов». (Яковлев А.С. Цель жизни. Записки авиаконструктора. М., 1966. С. 483-484).
Широко известно выражение академика Л.А. Арцимовича «Физика сегодняшнего дня – это техника завтрашнего дня».
Такие давно известные открытия естествознания, как сверхпроводимость, сверхпластичность, сравнительно медленно «пробивают» себе дорогу в сферу технического приложения. Частично это объясняет тем, что в технических науках законы естествознания должны быть «трансформированы», «реконструированы» в технические закономерности.