Однокритериальное и многокритериальное развитие

 

В книге  "философия и методология технического комплексирования"
 
 
Москва 2006 г. «Петит», 2006.-221 с
 
6.2. Основные принципы развития
6.2.1. Однокритериальное и многокритериальное развитие
Всякое развитие можно оценить лишь тогда, когда четко обозначен критерий развития. Например, в авиации традиционным критерием совершенства многих систем являлся критерий массы. Если два устройства выполняют одни и те же функции с одними и теми же характеристиками, но масса одной системы меньше, чем другой, то первая система считается лучшей. Для авиации этот критерий оправдан, поскольку большая масса оборудования означает необходимость сокращения массы полезного груза. В бортовом авиационном оборудовании критерий массы длительное время был одним из основных при оценке эффективности прогресса в этой области. Однако при этом упускалось из виду увеличение массы самого самолета со временем. Это было связано с тем, что перед самолетами, как военными, так и пассажирскими ставились все более сложные задачи, масса полезного груза росла, и это не зависело от массы бортовой аппаратуры. На этом фоне сокращение массы аппаратуры до нескольких процентов от массы летательного аппарата еще имело смысл, но стремление к дальнейшему сокращению массы при необходимости вкладывать в новые разработки  новые и все большие средства, уже теряло смысл. Поэтому всякое развитие по единственному критерию исчерпаемо.
Но для кораблей критерий массы не всегда является обязательным, поскольку в ряде случаев для устойчивости судна, наоборот, приходится его нагружать дополнительно балластом.
Критериями развития могут быть самыми разнообразными в зависимости от назначения системы, условий разработки (например, себестоимость), условий эксплуатации и ряда других. Однако при всем своем разнообразии развитие по конкретному критерию имеет некоторые общие закономерности, не учет которых может привести к существенным ошибкам в общей стратегии развития, неоправданным затратам и даже к тому, что созданные с большими усилиями системы оказываются не востребованными.
Функция наращиваемости эффективности развития системы по одному критерию представлена на рис. 6.1
Всю функцию наращиваемости эффективности условно можно разделить на пять участков.
На первом участке данный критерий развития не играет большой роли, но он, тем не менее, начинает влиять на эффективность устройства. По мере развития (совершенствования) всей системы доля данного критерия в общей эффективности постепенно нарастает. На этом участке эффективность наращивается пропорционально ранее достигнутой эффективности и представляет собой геометрическую прогрессию или экспоненциальную функцию с положительным временным показателем, значение которого для разных устройств разное. Этот участок доходит до того значения эффективности, пока ускорение эффективности не станет равным некоторой предельной величине, при которой система окажется не в состоянии увеличивать свое ускорение. Обычно это происходит в связи с наличием такого звена внутри системы, которое оказывается неспособным увеличивать свое ускорение развития по данному критерию.
Второй участок есть участок развития с постоянным ускорением, значение которого определяется указанным выше звеном. Эффективность нарастает до того значения, пока скорость изменения системы не достигнет некоторой предельной величины. Здесь, как и в предыдущем случае, внутри системы находится другое звено, которое оказывается неспособным развиваться со скоростью, превышающей некоторое критическое значение.
Третий участок – участок развития с постоянной скоростью, значение которой определяется указанным в предыдущем абзаце звеном. Это развитие длится до тех пор, пока эффективность критерия не начинает исчерпываться на фоне развития по такому же критерию старшего структурного объединения.
Четвертый участок – участок торможения развития, поскольку здесь становится ясной неэффективность дальнейшего наращивания качества по данному критерию.  С этого момента начинается замедление развития с постоянным отрицательным ускорением.
На последнем пятом участке, когда эффективность критерия практически исчерпана, процесс развития по этому критерию продолжается, но уже по инерции, все более замедляясь, обычно это происходит по экспоненциальному закону с отрицательным показателем.
В качестве примера можно привести случай, когда развитие комплекса оборудования тяжелого самолета осуществлялось по критерию массы.
Некоторый конкретный самолет имел массу в 100 т., при этом масса бортового оборудования составила 8 т., что сразу же было признано недопустимо большим. Поэтому было назначено новое значение массы в 4 т. и отпущен срок – 8 лет. Через 8 лет масса бортового оборудования составила 4 т, и было, таким образом, сэкономлено 4 т, которые можно было использовать для увеличения полезной нагрузки. Однако и это оказалось недостаточным. На следующие 8 лет было дано задание сократить массу оборудования вдвое, что и было выполнено, но на этот раз экономия составила всего 2 т. В следующий раз за 8 лет было сэкономлено всего 1 т., а в следующий – всего 0,5 т. Учитывая, что затраты на каждый этап были одни и те же, получалось, что затраты на каждую сэкономленную единицу массы аппаратуры возрастают вдвое. Критерий массы, таким образом, себя исчерпал.
В комплексе, состоящем из многих физически и соответственно технологически разнородных звеньев, каждое звено имеет свою постоянную времени развития. Если какое-либо одно звено ускоряет свое развитие относительно других звеньев, то достаточно быстро выясняется, что такое развитие не только не эффективно, но и является помехой для развития других звеньев. Форма такой помехи может быть разнообразной, например, в виде неоправданного отсоса средств, в виде структурного перекоса внутри всей системы и т.п.
Типичным примером является затоваривание рынка каким-либо продуктом при нехватке других продуктов. Избыточный продукт оказывается невостребованным, он устаревает морально и физически, затраченные средства оказываются выброшенными.
Другим примером является развитие звеньев на 1-м участке, если их развитие не скоординировано друг с другом. Поскольку развитие каждого звена определяется своим показателем, то пропорциональное от достигнутого уровня эффективности развитие приводит к тому, что однажды отставшее звено начнет в своем развитии отставать от других звеньев все больше и является тормозом в общем развитии системы, а однажды опередившее звено опережает другие звенья системы все больше, и теперь вся система начинает оказывать тормозящее влияние на его дальнейшее развитие, например, в виде не востребованности системой результатов развития этого звена, в виде структурных перекосов внутри системы и т.п. Поэтому во избежание структурных перекосов развитие по заданному критерию отдельных  звеньев системы должно происходить с учетом развития по этому критерию всей системы и всех ее звеньев. Такое развитие и будет оптимальным.
В принципе, развитию предела нет. Но это означает, что по мере исчерпания одних критериев, в дело должны вступать другие критерии, причем все развитие реально должно идти до тех лишь пор, пока не будет определена насыщенность эффективности по всем существенным критериям (рис. 6.2).
Насыщаемость эффективности по каждому критерию и по всей совокупности критериев может определяться по принципу несоизмеримости эффективности: если прирост эффективности (например, уменьшение массы) в развивающихся младших структурных объединениях оказывается несоизмеримо мал по сравнению с величиной того же критерия в старшем структурном объединении (массой самолета). Это значит, что развитие по данному критерию заканчивается и нужно искать иные критерии развития. Величина несоизмеримости определяется в каждом случае отдельно, но обычно она колеблется от долей процента до нескольких процентов. Новыми критериями развития должны быть те, которые оказываются препятствием на пути дальнейшего эффективного использования техники (старшего структурного объединения). Однако не следует забывать, что удовлетворение требований потребителя по всем основным критериям может принципиально поставить вопрос о том, что дальнейшее развитие, т. е. улучшение основных параметров объекта больше не требуется.
В качестве примера можно привести развитие бортового авиационного пилотажно-навигационного оборудования.
На первых самолетах число приборов было невелико (барометр-анероид в качестве барометрического высотомера, магнитный компас и вертушка-анемометр для измерения воздушной скорости). По мере выяснения  недостаточности этих средств стали наращиваться требования к полноте (числу функций) и точности измерения пилотажных параметров. Критериями развития стали полнота  пилотажных функций и точность их измерения. Затем, по мере роста высот и скоростей полета самолетов требования к пилотажным приборам стали быстро наращиваться. Увеличение дальности полета привел к необходимости обратить внимание и на состояние навигации, и в послевоенное время наиболее критичными стали требования к навигационному обеспечению полетов. Именно они и заставили использовать различные физические методы измерения параметров полета, и именно они  предъявили требования к наращиванию функций и обеспечению высокой точности измерения первичных параметров уже для целей навигации. К этому времени основные требования по пилотажным параметрам были удовлетворены, и развитие по этому критерию практически закончилось. Появившиеся пилотажные комплексы начали развиваться по новому критерию – критерию точности захода на посадку и категориям посадки по критериям горизонтальной видимости и высоты облачности, а навигационные – по критерию полноты функций и обеспечению необходимой точности.
Наращивание функций и точности измерения привели к появлению на самолетах громоздкой аппаратуры, и это выдвинуло на первое по значимости место критерий массы. Однако вскоре выяснилось, что сложность аппаратуры приводит к недопустимо большому числу отказов, и параллельно стал действовать критерий снижения интенсивности потока отказов (http://www.atsuk.dart.ru/books_online/05filmettehkomp/images/bukva11.jpg-характеристики).
В настоящее время и критерий сокращения массы, и критерий сокращения интенсивности потоков отказов можно считать в значительной степени исчерпанными. На очередь встала необходимость определения новых критериев развития бортового оборудования. Есть основания полагать, что такими критериями могут быть сокращение времени готовности к взлету и сокращение затрат на эксплуатацию и подготовку летательного аппарата к взлету. Использование этих критериев заставит разработчиков аппаратуры пересмотреть очередной раз всю техническую политику по бортовому оборудованию летательных аппаратов и найти новые решения. В перспективе может оказаться, что бортовое оборудование полностью удовлетворяет всем требованиям самолетовождения и его развитие далее не обязательно.
 
6.2.2. Этапность развития, принципы изоморфизма базовых основ и целесообразной избыточности
Развитие сложных комплексов предполагает совершенствование их отдельных составляющих. Но в комплексах, выполняющих сложные задачи, всегда участвуют физически разнородные устройства, развитие каждого из них имеет свою постоянную времени, отличающуюся от постоянных времени развития других устройств. Поэтому существен-ные изменения отдельных составляющих комплексов происходят в разные сроки. Кроме того, для многих изделий срок службы превышает сроки их возможной модернизации. Целесообразность замены в комплексах одних изделий на другие того же назначения, но более совершенные, может определяться разными соображениями. В одних случаях может оказаться, что используемое в настоящий момент изделие не полностью удовлетворяет по своим характеристикам требованиям эксплуатации из-за того, например, что сами эти требования изменились. В других случаях физический износ части изделий приводит к необходимости их замены, но так, чтобы другие элементы комплекса, не отслужившие свой срок, продолжали бы использоваться. Так или иначе, выясняется, что модернизация комплекса должна происходить по частям, и новые изделия, заменяющие старые, должны устанавливаться вместо них, сопрягаясь с другими, устаревающими частями комплекса. Поэтому в реальной ситуации приходится заменять не все составляющие комплекса, а только часть из них, постепенно и поэтапно заменяя и остальные составляющие по мере их созревания и готовности к включению в комплекс.
Таким образом, актуальной является задача частичной замены отдельных звеньев комплекса без изменения других звеньев. В этом и заключается проблема взаимозаменяемости звеньев.
Проблема взаимозаменяемости одних звеньев комплекса при неизменности других возможна лишь в том случае, если выполняется принцип изоморфизма базовых основ комплекса, т.е. тех параметров, которые существенно влияют на все виды интерфейсов – характеристик соединения звеньев с внешней средой. Элементами такой среды для каждого звена обычно являются:
– другие звенья комплекса, с которыми связано данное звено;
– параметры питания, общие для всех звеньев комплекса;
– конструктивные параметры;
– параметры внешних воздействий.
Преемственность поколений изделий может быть обеспечена, если на протяжении нескольких поколений изделий выполняется принцип изоморфизма базовых основ, при которых те параметры, от которых зависит возможность использования новых изделий взамен устаревших, сохраняются неизменными. Такими параметрами, как правило, являются:
–параметры связей – физические (физический интерфейс) и информационные  (информационный интерфейс);
– параметры электропитания (энергетический интерфейс);
– конструктивные  параметры (конструктивный интерфейс);
– параметры  внешних воздействий,
а также некоторые другие.
Перечисленные интерфейсы, собственно, и определяют возможность взаимозаменяемости изделий,  поэтому они должны являться в первую очередь объектами стандартизации. Техническая политика в этой области должна быть тщательно продуманной на несколько поколений вперед, а далее быть консервативной, распространяющаяся на несколько поколений и меняющаяся поэтапно лишь в той мере, в какой это оказывается жестко необходимым. Целесообразно всячески избегать в этих вопросах конъюнктурных соображений.
1. Замена какого-либо звена комплекса на другое, более совершен-ное звено с точки зрения сохранения работоспособности всего комплекса означает, что связи нового звена с остальными звеньями должны, как и заменяемое звено, обеспечивать физические, энергетические и информационные параметры каналов связей. Эти параметры – виды и уровни электрических сигналов связей должны сохраняться неизменными для применяемых сигналов, а их развитие должно всего лишь идти в направлении сокращения числа видов применяемых сигналов: для новых систем число разновидностей сигналов должно быть меньше, чем у предыдущих, это позволит сокращать разновидность применяемой элементной базы, что всегда выгодно для любого производства.
В 50-е –60-е годы прошлого столетия число видов сигналов сопряжения блоков в комплексах бортового оборудования самолетов было столь разнообразно, что составлялись специальные схемы, на которых для каждого канала связи оговаривались их параметры, без чего сопряжение звеньев в комплекс было невозможно. Однако постепенное сокращение номенклатуры видов сигналов позволило в дальнейшем упростить этот процесс, который в настоящее время уже никакой трудности не представляет.
В физических параметрах связей стандартизуются виды и уровни электрических сигналов, при этом выбираются те из них, которые обеспечивают максимальную помехоустойчивость информации при искажениях самого сигнала. Обычно это дифференциальные сигналы, т.е. сигналы, передаваемые по бифилярным или трифилярным линиям связи. К этим сигналам предъявляются требования максимальной информационной емкости, т. е. способности за один и тот же период времени передать максимальный объем информации. Сюда же добавляются энергетические характеристики каналов связей, в которых отражаются нагрузочные способности выходных и входных элементов устройств, с тем чтобы гарантировалось необходимое количество потребителей информации, изменяющееся в процессе модернизации отдельных устройств.  
В информационных параметрах необходимо стандартизовать способы обмена информацией,  способ кодирования, способ передачи сигналов и т.п.
2. Практически все звенья комплекса получают питание от внешних источников, и это значит, что все они должны удовлетворять тем параметрам электропитания, которые этими источниками обеспечиваются. Здесь, конечно, процесс взаимный и идет в направлении ужесточения требований, как к источникам электропитания,  так и к потребителям электроэнергии.
В параметрах электропитания необходимо стандартизовать перечень используемых номиналов питания, допустимые отклонения величин напряжений и частот от номинальных значений, допустимые величины перерывов питания и параметры переходных процессов при восстановлении питания и т.п.
3. Конструктивные параметры всех звеньев должны обеспечивать возможность их взаимозаменяемости, без какой бы то ни было переработки установочных и крепежных устройств. Это в первую очередь касается всевозможных электронных блоков, которые, как правило, устанавливаются на стеллажах или этажерках.
В те же 50-е и 60-е годы никакой унификации размеров блоков не было, что приводило к серьезным трудностям установки их на самолеты, но затем были введены ограничительные перечни размеров на электронные платы – 250, 319, 420 и 497 мм в длину и 88 и 194 мм в ширину (в высоту блоков). Это также было неудобно, поскольку практически препятствовало установке блоков на общий стеллаж. Но затем были установлены один размер платы по длине – 319 мм и один по ширине – 194 мм (в блоках этот размер определяет их  высоту), что сразу же решило проблему.
В конструктивных параметрах необходимо стандартизовать все габаритные параметры, посадочные места и места креплений и соединений, например, типы и расположение разъемов. При этом необходимо обеспечить максимальную плотность установки изделий, обеспечив в то же время доступ к каждому из них и возможность их замены без снятия других изделий и блоков.  Для электронных блоков это достигается тем, что всем блокам устанавливаются один продольный и один вертикальный размеры при нескольких значениях поперечных размеров, это позволяет группу блоков устанавливать на общем стеллаже или этажерке.
4. Все звенья системы находятся под воздействием внешней среды. В параметрах внешних воздействий стандартизуются виды воздействий (механические, климатические, электромагнитные и т.п.) типы воздействий в каждом виде, а также параметры каждого из воздействий.
Соблюдение стабильности каждого из этих интерфейсов на протяжении нескольких поколений автоматически обеспечит взаимозаменяемость аппаратуры и преемственность поколений.
В процессе развития техники  в пределах даже одного критерия целесообразно намечать этапы. При этом необходимо выбирать для каждого этапа такое решение, чтобы оно не просто продвигало к конечной цели всего процесса развития, но чтобы оно приносило пользу уже в процессе освоения каждого этапа.
Принципиально каждый этап связывается с качественным изменением используемых средств – материалов, элементной базы, технологий. Особенно наглядно это проявилось в развитии электронной базы, которая сама претерпела ряд качественных изменений, связанных, разумеется, с достижениями в области естествознания, в первую очередь, в физике твердого тела.
Стоит напомнить, что в качестве первой элементной базы радиотехнических устройств использовались слюдяные и воздушные конденсаторы, проволочные  катушки индуктивности, когерреры, представляющие собой настраиваемые искровые промежутки, и кристаллические детекторы, на поверхности которых острием-щупом нужно было находить чувствительную точку.
Следующей элементной базой явились радиолампы так называемой стеклянной серии, которая просуществовала до начала сороковых годов. При этом конденсаторы и катушки  индуктивности стали уменьшаться в размерах.
Радиолампы претерпели серию изменений в направлении повышения качества и уменьшения габаритов: после стеклянной серии появились так называемые пальчиковые лампы, затем лампы-дроби. Параллельно появились ферриты, позволившие существенно сократить размер катушек индуктивности и повысить их добротность, а также электролитические конденсаторы.
Разработки в области керамической технологии позволили существенно сократить объем высокочастотных конденсаторов, а разработки в области твердого тела привели к появлению полупроводников – электронных приборов, способных заменить радиолампы.
Дальнейшие разработки в области твердого тела последовательно позволили резко сократить объем аппаратуры, что было крайне необходимо для наращивания мощности цифровых вычислительных машин, прогресс в которых особенно ярко проявился во второй половине ХХ столетия. Полупроводниковая технология последовательно прошла этапы создания микросборок, БИС (больших интегральных схем), ГИС («гигантских» интегральных схем). Это позволило создать малогабаритные электронные устройства почти во всей гамме их применения. При этом быстрее всего развивались цифровые устройства со скоростью порядка за 10 лет в 40 раз (аналоговая электронная техника развивалась со скоростью за 10 лет в 4 - 5 раз).
Соответственно изменялись и возможности создания измерительно-управляющей техники, которая все более становилась цифровой. Фактически, переход от одной элементной базы к другой, более совершенной, и определял этапы развития комплексов оборудования.
Однако следует отметить, что в процессе совершенствования сложных систем и комплексов реально не удается заменить  одновременно все агрегаты и устройства в соответствии с новыми возможностями. Это связано, в первую очередь, с тем, что сами объекты, для которых предназначены измерительно-управляющие комплексы, развиваются гораздо медленнее, чем элементная база для  этих комплексов. Реально новая элементная база для аппаратуры способна кардинально изменяться в среднем 1 раз в 10 лет, в то время как объекты, для которых они предназначены, служат десятки лет, например, самолеты 15-20 лет и даже более.  
Таким образом, возникает необходимость:
– возможности   частичной взаимозаменяемости аппаратуры в связи с выходом некоторых систем из строя без наращивания функций;
– частичной  замены аппаратуры, работающей в составе комплексов в связи с моральным старением и недостаточностью выполнения существующей аппаратурой новых желательных функций и повышения качества их исполнения (точности, надежности, контролеспособности и пр.).
В первом случае нужно обеспечить замену блоков без их подрегулирования, что в аналоговой технике сделать всегда труднее, чем в цифровой. В обоих случаях нужно обеспечить соответствие физических и информационных характеристик связей заменяемых блоков, систем и устройств. Отсюда особую роль приобретает стандартизация физического, энергетического, информационного,  конструктивного интерфейсов, а также соответствие работоспособности всех систем внешним механическим, климатическим, электромагнитным и всякого рода специальным воздействиям со стороны внешней среды, что тоже является  своего рода внешним интерфейсом.
При  определении направления развития следует выделить инвариантные параметры, т. е. такие параметры, которые реально не меняются или не должны меняться при переходе от этапа к этапу. Это позволит в перспективе расширять возможности уже созданных изделий без их кардинального изменения, в чем и заключается принцип изомофизма базовых основ, т.е. их неизменности, инвариантности.
Прежде всего, в пределах определенного критерия развития  на протяжении нескольких этапов не изменяется сам критерий развития. Изменение элементной базы, например, и связанные с этим этапы развития аппаратуры не меняют общего критерия развития – сокращения массы при сохранении объема функций.
Как правило, не меняются и параметры относительного изменения критерия. Например, на протяжении более 40 лет на всех предприятиях сохранялась одна и та же тенденция относительного сокращения  массы в изделия одного и того же функционального назначения. Проведенный статистический анализ показал, что за 10 лет масса сокращалась:
- в проводах – на 30-40%:
- в электромеханике – на 40-50%;
- в аналоговой электронике – в 4 - 5 раз;
- в цифровой электронике – в 40 раз,
и так далее.
Таким образом, сокращение массы во времени совершалось по экспоненциальному закону с несущественными  отклонениями от этого закона.
Поскольку каждое техническое решение опирается на определенную элементную базу, это позволили в некоторых случаях точно определить направление развития по выбранному критерию на несколько поколений вперед. Применительно к системе проводных связей это было сделано в 1973 г. и в дальнейшем полностью реализовано. Однако для того чтобы уже созданная и используемая аппаратура могла развиваться без существенных переделок, целесообразно учитывать возможность развития еще на стадии проектирования, закладывая в нее  не используемые на первых порах избыточные возможности. Как правило, это сделать не сложно, но всегда возникает вопрос о целесообразности такого решения, поскольку некоторых дополнительных усилий все же это требует.
Тем не менее, опыт показывает  полезность такого подхода,  его относительную дешевизну и высокую экономическую эффективность в дальнейшем.
В качестве примера можно привести определение разрядности в словах последовательного кода, используемого для трансляции информации между информационными системами в пилотажно-навигационных комплексах.
Структура слова была принята 32-разрядной, из которых 8 разрядов составлял адрес-идентификатор пилотажного или навигационного параметра, еще 2 разряда не использовались, но отводились под возможное расширение числа адресов, если состав параметров в перспективе расширится, число значащих разрядов составляло 21, хотя для подавляющего большинства параметров было достаточно 10 – 12. Масштаб для физически однородных параметров устанавливался постоянным. В реальных словах использовались только старшие разряды, младшие оставались неиспользованными. Однако по мере повышение точности измерения параметров все большее число младших разрядов привлекалось к размещению в них информации. Это дало возможность не изменять формат слов на протяжении почти тридцати лет, хотя за это время сменилось четыре поколения бортовой аппаратуры. Аналогичное положение возникло и с числом разрядов самих цифровых вычислителей, хотя реально здесь были допущены чрезмерно большие излишества.

 

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Subscribe to Comments for "Однокритериальное и многокритериальное развитие "