123553 (598586), страница 31
Текст из файла (страница 31)
б) после исчерпания возможностей цикла а) происходит переход к более рациональному техническому решению (структуре), после чего развитие опять идет по циклу а). Циклы а) и б) повторяются до приближения к глобальному экстремуму по структуре для данного принципа действия;
в) после исчерпания возможности циклов а) и б) происходит переход к новому физическому принципу действия, после чего развитие опять идет по циклам а) и б). Циклы а) и б) повторяются до приближения к глобальному экстремуму по принципу действия для множества известных физических эффектов.
При этом в каждом случае перехода от поколения к поколению в соответствии с частными закономерностями происходят изменения конструкции, корреляционно связанные с характером дефекта у предшествующего поколения, а из всех возможных изменений конструкции реализуется в первую очередь то, которое позволяет устранить дефект при минимальных интеллектуальных и производственных затратах, т.е. здесь проявляется принцип наименьшего действия [15, 16].
В формулировке закона использовано понятие "глобальный экстремум". Математически строгое определение этого термина дается в математической дисциплине, называемой вариационным исчислением. Смысл термина можно понять, исходя из следующего рассуждения. Функции нескольких переменных могут иметь экстремумы, соответствующие определенным комбинациям значений переменных. Это - локальные экстремумы. Очевидно, что множество локальных экстремумов позволяет выделить общий для них глобальный экстремум функции нескольких переменных.
В процессе совершенствования объекта в рамках одного физического принципа действия критерии развития обычно меняются не равномерно. В первое время после перехода от одного цикла к другому рост совершенствуемого критерия экспоненциально ускоряется, а потом затухает, что собственно, и говорит об исчерпании данного цикла. Поэтому зависимость значения критерия развития от времени имеет S-образную форму и называется S-функцией. Иногда ее называют жизненным циклом изделия.
Интересно отметить, что такая форма жизненного цикла свойственна не только техническим объектам, но и объектам природы. Она и открыта была в 1845 г. Верхолстом при изучении кривых роста популяций живых существ.
Рост популяций в заданной среде описывается дифференциальным уравнением [23]:
где К - коэффициент, характеризующий рождаемость; D - коэффициент, характеризующий смертность; N - коэффициент, характеризующий способность поддерживать популяцию.
Рис.7.1 Рост народонаселения на земле
В качестве примера на рис.7.1 приведена кривая роста народонаселения на земном шаре с 1850 г., с учетом прогноза до 2075 г.
Рис.7.2 Динамика производительности колонн синтеза аммиака.
На рис.7.2 показана динамика, за период с 1910 г. до 1990 г., производительности колонн синтеза аммиака. Из рис.7.2 следует, что физический принцип действия, заложенный Ф. Габером в основу связывания атмосферного азота с получением аммиака на катализаторе при высоком давлении, использован до предела. Создавать реакторы более высокой производительности на этом принципе не позволяют мощности современного станочного оборудования, транспортные устройства и др.
Поэтому сейчас исследуются другие принципы: микробиологическое связывание азота, плазмохимические процессы и др.
Аналогичный характер носит динамика процессов, происходящих в экономике - рост объемов производства, потребления энергоресурсов и т.д. Это демонстрирует рис.7.3.
Рис.7.3 Динамика потребления энергии в мире (млрд. т. усл. т)
Самое важное приложение закона прогрессивной эволюции заключается в построении на его основе методологии системного иерархического выбора глобально-оптимальных конструкторско-технологических решений - от выбора рациональной функциональной структуры до оптимального технического решения.
Методология ориентирована на изучение и использование всех возможных путей улучшения ТО. Если при этом решение каждой задачи будет выполняться с достаточно полным информационным обеспечением и будет находиться глобально оптимальное решение, то можно гарантировать, что создаваемый ТО по уровню будет соответствовать мировым достижениям.
Следует заметить, что для перехода к использованию нового физического принципа действия не всегда нужно ждать исчерпания ресурсов уже используемого физического принципа действия (ФПД).
Если при наличии необходимого научно-технического потенциала переход к новому техническому решению или принципу действия обеспечивает получение дополнительной эффективности, существенно превышающей дополнительные интеллектуальные и производственные затраты, то может произойти скачок к новому техническому решению или принципу действия и без исчерпания возможностей совершенствования старого технического решения. Нередко это приводит к параллельному развитию выполнения одинаковых функций на основе разных ФПД. Например: получение электроэнергии на тепловых и атомных электростанциях; совершенствование тепловозов и электровозов; строительство кирпичных и панельных жилых домов.
Большое практическое значение в рамках рассматриваемого закона имеет изучение закономерности изменения критериев развития на протяжении использования одного принципа действия, т.е. изучение S-функций.
Это позволяет установить, насколько недоиспользованы возможности реализованного в техническом объекте ФПД, Если эти возможности имеют значительные резервы, на основе прогнозирования, базирующегося на экстраполяции S-функции, можно сформулировать конкретное задание на улучшение основных показателей ТО.
Если же анализ показывает, что возможности применяемого принципа действия практически исчерпаны, делается вывод о необходимости поиска нового ФПД.
Для осуществления экстраполяции S-функции удобнее иметь не график или таблицу, а аналитическую аппроксимацию функции.
Известно несколько методов аналитического описания S-функции [17]:
логистическая функция или кривая Перля-Рица
запаздывающая логистическая функция
63-процентная функция
формула Гомпертца
формула Джонсена
квадратичная логистическая функция
В перечисленных выражениях K, b, c - константы, - время. Недостатком этих формул является их "жесткость", обусловленная наличием трех констант, что снижает точность аппроксимации.
А.И. Попов и Е.Н. Капитонов в результате компьютерного анализа достаточно значительного количества статистических данных получили уравнение:
где К - коэффициент, характеризующий интервал изменения у между двумя перегибами S-функции; b - коэффициент, характеризующий продолжительность временного интервала (т.е. изменения аргумента ) между двумя перегибами S-функции; с - коэффициент, соответствующий времени появления первого перегиба S-функции; D - коэффициент, характеризующий исходное значение функции у.
Следует заметить, что прогнозирование по S-функции, называемое иначе статистическим прогнозированием, является наиболее старым и распространенным, но далеко не единственным методом прогнозирования.
Проблеме прогнозирования посвящена обширная литература, из которой упомянем, в частности, работы [17,18].
7.4.2 Закон стадийного развития техники (открыт С.С. Товмасяном)
Этот закон [16] отражает изменения, происходящие в процессе исторического развития как отдельных классов ТО, так и техники в целом.
Его можно сформулировать следующим образом. ТО, предназначенные для обработки материалов, имеют четыре стадии развития, связанные с реализацией четырех фундаментальных функций, (см. закон соответствия между функцией и структурой):
на первой стадии ТО реализует только технологическую функцию, стальное делает человек;
на второй стадии развития ТО реализует технологическую и энергетическую функции;
на третьей стадии добавляется функция управления;
на четвертой стадии добавляется функция планирования.
Переход к каждой очередной стадии происходит при исчерпании природных возможностей человека по дальнейшему увеличению производительности и др. качественных показателей, а также при наличии необходимого научно-технического уровня и социально-экономической целесообразности.
Хронологические рамки осуществления перечисленных стадий в мировой технике приведены в табл.7.1.
Таблица 7.1
Стадия развития техники
Выполняемая функция | Начало стадии | |||
Каменный век | XVIII век | Середина XX века | Конец XX века | |
Технологическая | ТО | ТО | ТО | ТО |
Энергетическая | человек | ТО | ТО | ТО |
Управления | человек | человек | ТО | ТО |
Планирования | человек | человек | человек | ТО |
Практическое использование закона стадийного развития связано с получением в процессе исследования технического объекта ответов на следующие вопросы:
На какой стадии развития находится изучаемый технический объект?
Ограничивают ли возможности человека существенное улучшение основных показателей ТО?
Имеются ли необходимые научно-технические возможности для перехода на следующую стадию?
Имеется ли социально-экономическая целесообразность перехода на следующую стадию [15, 16] ?
Следует обратить внимание на тот интересный факт, что, чем больше функций передается от человека к технике, тем глубже инженер должен знать эргономику - науку о физических и психический возможностях человека.
Из закона стадийного развития техники вытекают две важные закономерности:
Каждая стадия развития техники, как правило, имеет два периода развития: сначала основная фундаментальная функция реализуется с помощью универсального технического средства, затем происходит дифференциация и специализация технических средств. Так, на первой стадии развития техники был пройден путь от общего рубила до 500 разновидностей одних только молотков; на второй стадии от мускульной энергии пришли к современному разнообразию источников энергии; на третьей - от универсальной ЭВМ к специализированным ЭВМ и микропроцессорам.