Гуманитарные технологии Аналитический портал • ISSN 2310-1792

Виталий Горохов, Вадим Розин. Введение в философию техники. Глава 5. Инженерная деятельность и технические науки

Всё, что мы до сих пор рассматривали, было предысторией инженерии как «онаученной» техники. Действительная история инженерии начинается с развитием в рамках технической деятельности особой инженерной деятельности. Инженерная деятельность связана с регулярным применением научных знаний для создания искусственных, технических объектов — сооружений, устройств, механизмов, машин и так далее. Однако инженеры не только применяют знания, полученные в науке. Инженеры, осуществляя инженерную деятельность также вырабатывают новые научные и технические знания, оказывающие обратное стимулирующее влияние на развитие науки. Именно это в первую очередь роднит деятельность инженера с деятельностью учёного-экспериментатора и именно это отличает её от работы техника-ремесленника. На первых этапах своего «научного» развития инженерная деятельность была ориентирована на применение знаний естественных наук, главным образом физики и математики, но с течением времени на стыке науки и техники формируются особые науки — технические. Однако прежде чем перейти к рассмотрению структуры и развития инженерной деятельности и технических наук, остановимся на вопросе о том, чем отличаются инженерный и научный стили мышления.

1. Чем различаются инженерный и научный стили мышления

Становление инженерной деятельности было связано с развитием высших технических школ, которые начинают целенаправленную научную подготовку инженеров. В них проводятся и первые научно-технические исследования. С необходимостью систематизации научного материала, нужного для подготовки инженеров, связано и возникновение первых технических наук. К концу XIX века научная подготовка инженеров, их специальное, именно высшее образование, становится настоятельной необходимостью. Поэтому к этому времени многие ремесленные, средние технические училища преобразуются в высшие учебные заведения, где наряду с практическими предметами основное место начинают занимать различные науки, хотя на практике эти науки и применяются первоначально весьма редко и инженеры работают пока часто, как и раньше, «на глазок». Но уже тогда начинает ощущаться недостаточность основательной теоретической научной базы инженеров. В то же время образование инженеров должно было сочетаться с их практической подготовкой. К концу XIX — началу XX века наука все более проникает в инженерную практику и инженерное образование.

Эти две тенденции — ориентация на практику и на науку — характерны и сегодня для высших технических школ. С точки зрения первой ориентации, инженерная деятельность рассматривается как искусство, то есть система приёмов и методов практической деятельности (например, строительное искусство, искусство проектирования, и так далее); с точки зрения второй — как своего рода прикладная, техническая наука как порождение науки, как результат приложения науки к технической практике. В соответствии с этими тенденциями реализуются и различные идеалы и нормы инженерной деятельности и инженерного образования: культивирование преимущественно изобретательски-проектной функции инженера, восходящей к художникам-архитекторам и ремесленникам-механикам эпохи Возрождения, или познавательски-исследовательской, расчётной, научной, восходящей к учёным-экспериментаторам Нового времени. В течение всего периода становления классической инженерной деятельности эти две тенденции конкурируют и поочерёдно возобладают как в сфере практической инженерной деятельности, так и в сфере инженерного образования. Чем ближе к концу XIX века, тем большее число инженерных задач подвергаются теоретическому исследованию. Наконец, появляются и отрасли техники, которые были бы вообще немыслимы без предварительного научного исследования.

Особенное увеличение числа инженеров высшей научной квалификации произошло в период после Второй мировой войны. Инженеры сегодня, например, в области электротехники, часто решают вопросы, которые раньше входили в компетенцию физиков. К ним относятся электромагнитная теория, динамика электрона и многие другие вопросы электроники. Таким образом, инженерная профессия, становясь массовой, дифференцируется как по виду работ, выполняемых инженерами самой различной квалификации и направленности, так и по сферам техники, умножающимсяв XX веке с поразительной быстротой.

Технический стиль мышления близок художественному, как видно ещё из понимания «технэ» в античной культуре, поскольку оба они связаны с очеловечиванием природы. В эпоху Возрождения эта связь получает новое выражение в деятельности великих мастеров: художников-инженеров-учёных. И хотя у них уже намечается устойчивая ориентация на науку, преобладающим является ещё художественный стиль мышления. Мифологическая картина мира средневекового техника-ремесленника вытесняется в эпоху Возрождения художественной картиной реальности, художественным мировосприятием, освящённым стремлением к научному познанию окружающего человека мира.

И техника, и искусство являются, как отмечал П. К. Энгельмейер, объективирующими деятельностями, то есть такими, которые воплощают некоторую идею, осуществляют некоторый замысел. Однако художественное мышление не имеет предметно-научной организации, а направлено на реализацию культурных идеалов и образцов. Инженерное же мышление, вырастающее в определённый исторический период в массовый тип мышления, несёт на себе черты как практического технического мышления предшествующих эпох, переработанного цехом художников-архитекторов Возрождения в новый художественно-научно-технический стиль, так и теоретического мышления архимедово-галилеевской научно-технической парадигмы (классическим воплощением которой являются часы Гюйгенса). По мнению выдающегося российского инженера В. Л. Кирпичева, настоящий инженер должен сочетать в себе задатки учёного, практика и художника, что должно найти отражение и в системе инженерного образования.

С художественным мышлением инженера сближает и использование им графических средств для выражения своих идей. Чертеж — это часто не только наиболее важное, но и единственное средство выражения идей инженера, международный язык, понятный инженерам во всех странах. Это — и средство коммуникации, передачи мысли инженера-конструктора исполнителю-рабочему. Но чертеж для инженера — не только средство коммуникации с исполнителями и коллегами, это идеализированное, но в то же время поставленное в чёткое соответствие с инженерной реальностью «пространство» выражения и разворачивания его мысли. Именно поэтому инженеры предпочитают чертить схемы, а не писать формулы или текст.

Мышление инженера разворачивается в этой идеализированной плоскости, в ней он материализует первоначально свою инженерную идею (замысел), чтобы затем воплотить её в производстве, в пространстве трёхмерных материальных форм. Но по отношению к этим материальным формам такая промежуточная материализация выступает идеальным представлением, хотя и существующим до их реального воплощения. В отличие от художественного это графическое идеализированное пространство не служит ему для изображения окружающего мира с целью вызвать эстетическое наслаждение (пускай даже с применением строгих геометрических методов, как в учении о перспективе Альбрехта Дюрера, нашедшего воплощение в его картинах), а для разворачивания, детализации и конкретизации предварительной инженерной идеи в развёрнутую схему научного обоснования и математического расчёта этой схемы для последующего выполнения рабочих чертежей — предписаний мастерам и рабочим к осуществлению, реализации его замысла.

Средневековые ремесленники и архитекторы тоже могли пользоваться и действительно пользовались чертежами и математическими пропорциями, но они выполняли тогда иную функцию. Между языками ремесла и современного проектирования, в структуру которого действительно входит наука, есть принципиальная разница. Пропорция для античного и средневекового мастера была не научным или даже не эстетическим средством, а живой методикой делания вещи, начиная с выбора материала, всей технологической последовательности выполнения работ и заканчивая определением строя вещи в целом и каждой её части. Когда современный архитектор, желая придать фасаду здания эстетический вид, расчерчивает его по так называемому «золотому сечению», то это совсем иной научно-рациональный подход, чем это было в прошлом. Не следует забывать, что сегодня техническое черчение — это воплощённая наука, применение начертательной и проективной геометрии к решению практических задач машиностроения, строительства и так далее. Одним из создателей этого графического языка инженеров был французский инженер и учёный Гаспар Монж.

Монж был математиком и инженером одновременно. Он одним из первых понял и создал строго научную, математически точную систему графических изображений для нужд техники. В этом смысле он был продолжателем учения о перспективе художников-инженеров эпохи Возрождения. Но Монж пошёл дальше их, сделав язык чертежа, с одной стороны, более строгим и научным, а с другой — пригодным для решения практических инженерных задач. Очень скоро техническое черчение стало центральным пунктом инженерного образования, графическим языком инженеров. В других отраслях техники и технической науки также сложились свои особые графические средства для выражения инженерных идей, хотя и не всегда тесно связанные с геометрией, как, например, электрические схемы в электротехнике и радиотехнике.

Таким образом, сложились три основные характеристики инженерного мышления — художественная, практическая (или техническая) и научная. И хотя инженеры более охотно рисуют чертежи и схемы, а учёные пишут формулы и тексты, современное инженерное мышление глубоко научно. Даже чертеж, схема, этот язык инженера, в которых разворачивается его мышление, буквально пронизаны наукой, прежде всего математикой. Он одновременно является для инженера и средством связи науки с реальным миром артефактов, технической практикой.

Однако, хотя техника и стала научной, это совсем не значит, что она стала придатком физики, механики, химии. Она стала научной в том смысле, что выработала свои собственные науки, а именно — технические науки. И если современное научное мышление может быть по праву названо научно-техническим, то современное инженерное мышление — технически-научным, точнее единым научно-инженерным и инженерно-научным мышлением соответственно. Но это единство принципиально двойственно, поэтому в инженерной деятельности и мышлении, а значит и в инженерном образовании заложены основы для конкуренции двух основных позиций — ориентации на техническое практическое искусство и техническую науку.

Научная картина мира, выработанная и совершенствовавшаяся на протяжении XIII–XIX веков, тольков XIX веке начинает робко и далеко не автоматически входить в повседневный быт рядового инженера. В XVIII веке Галилеева экспериментальная математизированная наука так и не дошла до всех уголков инженерной практики. Практическая инженерная деятельность большей частью остаётся пока инженерным искусством. Это и понятно. Подлинное проникновение науки в сферу инженерной деятельности и промышленности начинается лишь с развитием машинного производства.

2. Инженерная деятельность в условиях развития машинного производства

Со становлением машинного производства происходит дифференциация инженерной деятельности, которая на первых этапах включает в себя лишь изобретательство, конструирование и технологию производства. С возникновением технических наук к ним добавляются ещё инженерные исследования и проектирование.

Конструкторская деятельность связана в основном с «рутиной» данной отрасли. Но, как отмечает П. К. Энгельмейер, рутина ещё не означает машинального повторения. Конструктор изменяет приёмы своей работы в зависимости от каждого конкретного случая, но они не выходят за пределы конструктивных вариантов и представляют собой применение известных, уже выработанных искусственных приёмов и простых стандартных расчетов. Поэтому его задача заключается в том, чтобы произвести такое видоизменение, чтобы получилась лишь новая конструкция, а не новое изобретение. Прогресс в технике, по мнению Энгельмейера, как раз и заключается в том, что нововведение усваивается и переходит из разряда изобретений в разряд конструкций. Конструкторская деятельность становится особенно необходимой с развитием серийного и массового производства технических изделий. Проектирование же занимает промежуточное положение между изобретением и конструированием и более тесно связано с научной деятельностью (поэтому не случайно Энгельмейер называет второй акт инженерной деятельности научным). Энгельмейер предугадал все более глубокое проникновение научной деятельности в сферу инженерии, рассматривая её не только как внешний, но и как внутренний акт инженерной деятельности.

Разобрав, таким образом, проектирование, Энгельмейер переходит к анализу изобретательской деятельности. И поскольку он провозгласил, что между свободным изобретением и проектированием на заданную тему нет существенной разницы, то и к изобретению он применяет все тот же трехакт: акт интуитивный (искусство), в котором зарождается идея, или основной принцип; акт научный, в котором вырабатывается схема, общий план или система будущего технического устройства; акт рутинный, в результате которого создаётся конструкция, вещественно исполняется в соответствии с первоначальным замыслом и выработанная схема.

Полный цикл инженерной деятельности включает: изобретательство, конструирование, проектирование, инженерное исследование, технология и организация производства, эксплуатация и оценка техники, а завершает этот процесс ликвидация устаревшей или вышедшей из строя техники.

Изобретательство

Изобретательская деятельность, как правило, начинает цикл инженерной работы. В изобретательской деятельности на основании научных знаний и технических достижений заново создаются новые принципы действия, способы реализации этих принципов или конструкции инженерных устройств и систем или же их отдельных компонентов. Сложности в изготовлении, конструировании и техническом обслуживании существующих технических систем, а также необходимость создавать принципиально новые инженерные устройства и системы стимулируют производство особого продукта — изобретений, авторство на которые закрепляется в виде патентов. Они имеют широкую сферу применения, выходящую за пределы единичного акта инженерной деятельности, и используются при конструировании и изготовлении новых технических систем или усовершенствовании старого оборудования.

Наиболее развёрнутую характеристику изобретению даёт в своей трехактной теории творчества П. К. Энгельмейер. По Энгельмейеру, анатомия процесса изобретения от первого проблеска идеи до окончательного её выполнения наделе распадается на три акта: догадки, знания и умения.

  1. Первый акт: создание идеи, акт догадки. Здесь прежде всего осознаются условия задачи — например создание нового приспособления. Откуда ему добывать знания, из каких наук — дело интуиции изобретателя, его прошлого опыта работы. В результате этого акта формируется ясная определённая мысль в качестве предположения, намерения, замысла (внутреннее чтение идеи).
  2. Второй акт: выработка плана, схемы, акт знания. Задача этого акта заключается в том, чтобы заполнить пробелы и устранить из идеи её гипотетичность. Здесь изобретателю приходится чертить, вычислять, делать опыты, строить модели, испытывать их. На этом этапе включается методическое мышление, проводится рассудочная работа. В результате должна быть доказана осуществимость идеи. Составляется план, схема изобретения, в которой уже содержится всё то, что необходимо и достаточно для действия.
  3. Третий акт: выполнение, акт умения. Задача изобретения здесь распадается на столько отдельных задач, сколько частей в изобретении. Чаще всего они берутся готовыми по образцу уже существующих машин. Для решения этих задач не требуется особого творчества, а только апробированные на практике знания, требования практика, который будет использовать машину или систему. Здесь и подключается конструктор. Наконец, натурное исполнение изобретения производится в мастерской или лаборатории. Только теперь можно сказать, что изобретение готово, хотя и в одном экземпляре.

В настоящее время, однако, изобретение редко бывает продуктом деятельности изобретателя-одиночки и, кроме того, часто требует сложной и кропотливой предварительной и параллельной научной работы.

Конструирование

Инженерная деятельность направлена на создание нового, а не на слепое копирование имеющихся образцов, как это было свойственно ремесленной практике. Однако только сформулировать идею ещё недостаточно. Идея изобретателя, даже воплощённая в виде опытного образца, требует работы целой армии конструкторов, меняющих детали и их расположение, упрощающих конструкцию и так далее. Результатом конструкторской деятельности является готовая конструкция технического устройства или системы, материализуемая затем в процессе изготовления. Эта конструкция, как правило, состоит из, определённым образом связанных, стандартных элементов, выпускаемых промышленностью. Если каких-либо элементов не достаёт или их параметры не соответствуют требованиям конструктора, они изобретаются и проектируются заново. Для целей массового производства и варьирования технических характеристик по требованию заказчиков на этой стадии проводятся дополнительные инженерные расчёты и учёт ряда таких требований, как простота и экономичность изготовления, удобство использования, соблюдение определённых габаритов и возможность применения стандартных или уже имеющихся конструктивных элементов. Конструктор рассчитывает конкретные конструктивно-технические характеристики создаваемого устройства, учитывающие специфические условия его изготовления на данном производстве. Конструктор создаёт новые типы машин, имеющие общее устройство, но различающиеся характером отдельных деталей, их расположением, материалом и другими конструктивными особенностями.

Конструкторская деятельность становится необходимой именно с развитием серийного и массового машинного производства технических изделий и заключается в создании, испытании и отработке опытных образцов различных вариантов будущего инженерного объекта, выборе из них наиболее оптимального с точки зрения заказчика варианта и разработке технической документации — руководства для изготовления его на производстве. За конструктором остаётся расчёт конструктивно-технических и технологических параметров технического устройства, разработка же технологии изготовления — задача уже другого специалиста — инженера-технолога. Однако это не снимает с конструктора ответственности за создание технологичной конструкции. Конструктор должен быть хорошо знаком со всеми процессами изготовления и обработки проектируемых машин, сооружений или вообще всяких изделий. Без такого знакомства он может сконструировать детали, которые вообще невозможно изготовить или обработать либо которые окажутся неудобными, дорогими и чрезмерно долгими в изготовлении.

Технология и организация производства

В результате конструирования рождается чертеж готовой технической машины или системы, который является посредником для передачи идеи изобретателя и описания конструкции, разработанной инженером-конструктором, не только исполнителю-рабочему, но и инженеру-технологу, который руководит изготовлением деталей и их сборкой. Исходным материалом этого вида инженерной деятельности являются материальные ресурсы, из которых создаётся изделие, а продуктом — готовое техническое устройство и руководство к его эксплуатации. Функция инженера в данном случае заключается в организации производства конкретного типа изделия и разработка технологии изготовления определённой конструкции этого изделия, а также, если это необходимо, орудий и машин для его изготовления или отдельных его частей. Разработка и усовершенстование новой технологии в той или иной отрасли промышленности, скажем, электронного приборостроения, связана сегодня с научными исследованиями, например новых материалов, и созданием нового наукоёмого технологического оборудования.

Часто крупные инженеры сочетают в одном лице и изобретателя, и конструктора, и технолога, выполняя функции организатора производства какого-либо типа изделий промышленности. Однако современное разделение труда в сфере инженерной деятельности неизбежно ведёт к специализации инженеров, работающих в научно-исследовательских институтах, конструкторских бюро, на заводах и фабриках преимущественно либо в области инженерного исследования, либо конструирования, либо организации производства и технологии изготовления определённого типа технических систем. Такого рода разделение труда наметилось уже на первых машиностроительных заводах, хотя первые их создатели и руководители совмещали в своей деятельности почти все эти позиции одновременно. Однако в конце XIX века на них уже действовал более четкий принцип разделения инженерного труда, выделяются в самостоятельные подразделения техническая дирекция, конструкторское бюро, мастерские и технический надзор за исполнением заказов. Инженер в мастерских уже ничего не изготавливает сам, как нередко случалось раньше, а лишь руководит сборкой по чертежам, полученным от инженеров-конструкторов, имея в распоряжении мастеров и старших рабочих. В дальнейшем ни изобретательская, ни конструкторская, ни технологическая инженерная деятельность не обходятся без тщательного научно-технического исследования.

Эксплуатация, оценка функционирования и ликвидация

В настоящее время в сферу инженерной деятельности попадает и эксплуатация технических систем, то есть операторская деятельность, и их техническое обслуживание. Для выполнения этих функций по отношению к сложным техническим, например компьютерным, системам требуется достаточно высокая инженерная квалификация. В процессе эксплуатации технической системы проводится также оценка её функционирования, что весьма важно для постоянного совершенствования и разработки новых таких систем.

В последнее время особенно сложной инженерной задачей становится утилизация и ликвидация отработавших технических устройств и их компонентов, которая может составлять предмет особого научного исследования. Уже на стадии разработки новой технической системы должны быть сформулированы требования к материалам и компонентам, входящим в её состав, с точки зрения возможности их утилизации с минимальным ущербом для окружающей среды и здоровья людей. Это относится не только к атомным реакторам и к новейшим вычислительным комплексам, утилизация которых обходится весьма дорого и требует специальных инженерных и научных разработок и даже создания особых устройств для их утилизации, но и к таким, казалось бы, простым побочным продуктам технической деятельности, как упаковка отдельных компонентов или устройства в целом.

Для переработки всего этого также разрабатываются достаточно сложные технические комплексы, такие, например, как печи для сжигания мусора или очистные сооружения для очистки промышленных вод, бывших в употреблении, например в лакокрасочных процессах в автомобильной промышленности. Научные исследования и инженерные разработки в этой области финансируются в настоящее время во всё большем объёме в индустриально развитых странах. Появляются инженеры, учёные и даже целые фирмы и институты, которые специализируются в этой области. Утилизация отходов атомной энергетики требует создания не только специальных наукоёмких и дорогостоящих производств, но и специальных транспортных средств, контейнеров и хранилищ для них, представляющих собой вершину науки и инженерного искусства.

Таким образом, развитая инженерная деятельность включает в себя целый набор различных специализаций и видов деятельности, которые и сами составляют сложную систему, требующую исследования и организации. Организация инженерной деятельности сама становится одним из важных видов инженерной деятельности.

Организация инженерной деятельности

Усложнение и развитие сферы производства привели к расслоению и обслуживающей его инженерной деятельности. Конструирование, проектирование, изобретательство, организация изготовления, испытание, отладка, организация обслуживания и эксплуатации, оценка функционирования, ликвидация и утилизация технической системы и её отдельных компонентов стали осуществляться не только разными специалистами, но и разными инженерными организациями и научно-техническими институтами. Произошли также расслоение и специализация инженерной деятельности по отраслям промышленности и видам обслуживающих их технических наук. Кроме достаточно рано развившегося машиностроения возникли электротехническая промышленность и радиоэлектроника, а затем химическая технология и в самое последнее время биотехнология и другие соответствующие им виды инженерии. Такая дифференциация инженерной деятельности неизбежно выдвинула на первый план задачу её интеграции в процессе решения сложных инженерных задач, таких, например, как создание сложных радиолокационных систем или шире — противоракетных комплексов, космических систем и так далее. Для их создания требовалось объединить усилия не только специалистов различного профиля и разных наук, но многочисленных коллективов учёных и инженеров-разработчиков.

Во второй половине XX века инженерная деятельность становится настолько сложной и дифференцированной, сосредоточенной в многочисленных конструкторских бюро, отраслевых научно-исследовательских институтах, институтах Академии наук и лабораториях высших технических учебных заведений, представляющих собой мощные коллективы инженеров-разработчиков новой техники различных специализаций, участвующих в одних и тех же больших проектах, что её организация сама становится важной инженерной задачей и нетривиальной научной проблемой.

Расчленение сложной технической системы и сложной деятельности по её созданию на подсистемы, разработкой которых занимаются различные группы специалистов, идёт по разным признакам. Во-первых, её можно проводить по типам компонентов проектируемой системы, а во-вторых, по видам и общей последовательности инженерных работ. Чтобы связать воедино этот многоуровневый и многокомпонентный конгломерат кооперантов, необходима особая деятельность по координации как в плане стыковки отдельных подсистем, так и в плане объединения различных процедур инженерной деятельности в единое целое. Именно эта координационная деятельность обеспечивает единство и слаженное функционирование создаваемой технической системы. Для решения этой сложной научно-организационной задачи привлекаются наряду с другими и социально-гуманитарные методы, в том числе здесь определённую роль может и должна сыграть также философия техники, по крайней мере, для подготовки такого рода широких специалистов, или, лучше сказать, универсалистов.

Таким образом, спектр вовлекаемых в орбиту современной инженерной деятельности наук расширяется, начавшись с математики и естествознания и закончившись техническими и социально-гуманитарными науками. Да и сама разветвлённая и многоуровневая структура инженерной деятельности включает в себя на верхних уровнях по крайней мере квазинаучные образования — инженерные исследования и проектирование.

Инженерные исследования и проектирование

Сама логика развития инженерной деятельности привела к необходимости вычленения в ней слоя собственных исследований, которые получили название инженерных, или научно-технических, где не только доводятся до практически применимого уровня полученные в науке результаты, но и происходит обобщение, систематизация и даже полутеоретическое осмысление выработанных в ходе инженерной деятельности знаний. Часто имеющихся научных разработок недостаточно и в ходе решения той или иной конкретной инженерной задачи возникает потребность постановки и разработки чисто научной проблемы. В историческом плане это приводит к формированию сначала отдельных технических наук, а затем и целых блоков, семейств технических наук.

Для классической инженерной деятельности характерна ориентация каждого вида инженерной практики на соответствующую базовую техническую науку, а впоследствии даже на целый комплекс научно-технических дисциплин. В современных видах системотехнической деятельности в принципе привлекаются любые методы, средства и знания из любых научных дисциплин; их объединяет лишь общность решаемой сложной инженерной задачи и единство подхода к её решению. Система сложившихся на сегодня технических наук простирается от теоретических до прикладных исследований, от электроники и машиностроения до промышленной экологии и системотехники. Это значит, что естествознание не перестаёт контактировать с техникой, а делает это только через технические науки. Атомная энергетика, например, возникла в результате интеграции научного эксперимента с инженерной деятельностью и выросла сегодня в целую самостоятельную отрасль промышленности.

Прямым посредником между инженерной деятельностью и производством становятся инженерные исследования и проектирование. Да и само проектирование развилось из простой работы чертежников-рисовальщиков до квазинаучной деятельности инженера — теоретика». Возвращаясь к вышеприведённой схеме трехакта Энгельмейера, следует подчеркнуть, что научный акт он отождествляет именно с проектированием. Сейчас, когда компьютерная техника изменила характер многих видов человеческой деятельности и в первую очередь инженерной деятельности, проектирование, поддержанное компьютером, ещё в большей степени стало близким научной деятельности, сделало её подобием теоретического исследования в технических науках.

Прежде, чем перейти к рассмотрению технических наук, учитывая важность проектирования для понимания сущности происходящих в современной инженерии процессов, остановимся на попытке описания процесса проектирования в теории технического творчества П. К. Энгельмейера, которое соответствует этапу машинного производства. Энгельмейер следующим образом обосновывает своё обращение к анализу процесса проектирования: «Я всегда исходил из того положения, что нет существенной разницы между свободным изобретением и так называемым проектированием на заданную тему. Если в проектировании решение как бы подсказано заданиями, то всё равно остаётся некоторое поле для самодеятельности на долю техника, а эта самостоятельность однородна с деятельностью изобретателя, по крайней мере, качественно, хотя количественно участвует в проектировании в различных пропорциях. Но проектирование, как работа методическая лучше поддаётся анализу, она прозрачнее, чем скрытая и лихорадочная работа изобретателя. Поэтому я сначала проанализировал процесс проектирования, а уж затем проверил полученные данные на примерах изобретения». Энгельмейер имеет в виду статью «Проектирование машин. Психологический анализ», где он впервые изложил свою трехактную теорию технического творчества. Рассмотрим подробнее, как Энгельмейер анализирует трехакт в проектировании.

Однако прежде, чем говорить о проектировании машин, необходимо рассмотреть вопрос о том, что представляет собой машина, которая является одним из центральных общетехнических понятий, характеризующих сущность машинного производства.

Машина — это самое типичное техническое произведение. В течение XIX века она превратилась, по характеристике Энгельмейера, из средства в цель. Но это совсем не значит, что она перестала одновременно быть и средством, орудием деятельности. Поэтому важно определить соотношение понятий «орудие» и «машина». Энгельмейер выделяет два смысла понятия «орудие»:

  • общий — совокупность всех вообще вещественных приспособлений для выполнения какой-нибудь работы;
  • частный — та часть приспособления (машины), которая непосредственно выполняет данную работу, то есть инструмент.

К орудиям в общем смысле относятся и машины, но и в самих машинах существует исполнительный орган, называемый орудием в частном смысле. Сами машины также можно разделить на машины-двигатели и машины-орудия (станки). Таким образом, заключает он, «машина есть орудие, имеющее внутреннее движение частей».

Далее Энгельмейер выделяет три основные точки зрения на машину: технологическую, кинематическую (механическую) и конструктивную. К этим трём основным точкам зрения на машину он добавляет ещё одну — экономическую, но специально её не рассматривает.

Технологическая теория машин рассматривает их с точки зрения выполняемой работы. Энгельмейер цитирует первое технологическое определение машины, данное римским техником Витрувием в его книге «Об архитектуре»: «Машина есть материальная совокупность, преимущественно приспособленная к передвижению тяжестей». Затем эту точку зрения развивали, например, Я. Лейпольд и И. Г. М. Поппе. Я. Лейпольд в своём многотомном сочинении «Театр машин», изданном в 1724–1926-х годах в семи томах (посмертно вышли ещё два тома), даёт следующее определение машине: «Машина или орудие есть искусственное сооружение, с помощью которого можно получить полезное движение, сохраняя время и силу, чего иначе нельзя было бы сделать… Машина отличается от инструмента тем, что с её помощью можно произвести полезное механическое действие, чего не может сделать инструмент, почему не только мельницы, фонтаны и другие подобные большие машины, но также клещи кузнеца, ножницы портного, топор и клин лесоруба следует считать машинами, поскольку они могут произвести движения, которые имеют своё обоснование в механике».

Кинематическая теория машин рассматривает их с точки зрения движения частей. Эта теория зародилась в Парижской политехнической школе, основанной в 1794 году. Г. Монжем, идеи которого развивали Ж. Ашетт, затем И. Ланц и А. Бетанкур в своём учебнике «Курс построения машин», Д. Борньи, Ж. Кристиан и другие, заложившие основы кинематической школы. Однако наиболее полное развитие эта школа получила в Германии в работе Ф. Рело «Теоретическая кинематика», в которой даётся следующее определение машины: «Машина — это соединение сопротивляющихся тел, устроенное так, чтобы принудить механические силы природы действовать для выполнения определённых движений». В каждой машине одной движущейся части должна соответствовать другая часть, делающая её движение определённым. Совокупность двух таких тел Рело называет кинематической парой, составляющие её тела — элементами пары. С помощью двух этих элементов можно осуществить различные движения. Несколько кинематических пар образуют кинематическое звено, а несколько звеньев — кинематическую цепь. Механизм является замкнутой кинематической цепью принуждённого движения, одно из звеньев которой закреплено. Поэтому из одной цепи можно получить столько механизмов, сколько она имеет звеньев. Если же мы принудим одно из звеньев механизма с помощью некоторой силы изменить первоначальное положение, то мы получим машину.

Определение машины, данное Рело, вызвало критику со стороны многих практиков машиностроения. В частности, Теодор Бек в своих статьях «О понятии «машина» уличает определение Рело в абстрактности (отрыве от реальности), отсутствии указания на искусственность и на выполнение машиной механико-технической работы. Бек даёт следующее определение машины: «Машиной называется искусственное соединение сопротивляющихся тел для выполнения определённой механико-технической работы и устроенное с этой целью таким образом, чтобы механические силы, действующие с его помощью, производили определённые движения». Однако, по нашему мнению, Бек соотносит в этом определении технологическое и кинематическое описания машины. При рассмотрении кинематической теории машин Энгельмейер почему-то не упоминает работы английского инженера и учёного Роберта Виллиса, который не только сыграл важную роль в становлении кинематического представления машины, но и установил соотношение кинематической и конструктивной точек зрения на машину, введя различение «конструктивного» и «чистого» механизмов. Первой из них является «продуктом пунктуального описания действительной конструкции машины», второй же — «продукт некоторого обобщения», устройство, движение частей в котором есть следствие их связи безотносительно к существу динамических эффектов, действующих между ними, изображает лишь процесс преобразования движений.

Конструктивная теория машин рассматривает их с точки зрения форм и частей целого. Основоположником этой школы является крупный немецкий инженер — Фердинанд Редтенбахер, который поставил своей целью создать научное машиностроение, гармонично сочетающее теорию и практику. В 1852 году он выпустил «Принципы механики», где было изложено теоретическое учение о машинах. В 1862–1965-х годах вышло в свет его главное сочинение «Машиностроение». К машине Редтенбахер подходит как истинный конструктор: «Многообразные механизмы движения, которыми пользуются для устройства рабочих машин, не должны заново изобретаться каждый раз. Однако в своё время это было необходимо, когда были изобретены паровые и прядильные машины, так как тогда были известны лишь немногие механизмы для преобразования движений. Теперь же известно очень много разнообразных механизмов и всегда можно выявить такой, который подходит для частного случая. Таким образом лишь для совершенно необычных условий движения действительно необходимы новые изобретения, и очень ясное и полное знание изобретённых до настоящего времени передаточных механизмов, служащих для устройства рабочих машин, является необычно важным». После трудов Редтенбахера конструктивная теория машин под названием «машиностроение» стала обязательным предметом во всех высших технических школах.

В докладе Политехническому обществу от 2 ноября 1907 года «Что такое принцип системы, конструкция в машинах?» Энгельмейер следующим образом определяет соотношение между этими тремя точками зрения на машину: «Технология определяет характер той работы, которую от машины потребует практика. Для технологии всё равно, как осуществить эти условия. Затем вступает в свои права кинематика и предписывает, каким механизмам надлежит осуществить нужные движения. Наконец, выходит машиностроение с конструктором во главе и вырабатывает машину во всех деталях. Стало быть, для того, чтобы осуществить требования технологические, надо осуществить требования кинематические, а для того, чтобы осуществить эти последние, надо осуществить требования конструктивные. Другими словами: конструкция машины зависит от кинематической схемы, а эта последняя зависит от технологического принципа машины». Далее он выделяет принцип, систему и конструкцию всякой машины.

Описание процесса проектирования: принцип, система, конструкция в машинах. «Принцип машины, то есть её основная суть, определяется технологическими признаками, система определяется кинематической схемой, а конструкция определяется совокупностью и расположением деталей машины». Итак, конструкция — это вещественное выполнение машины во всех деталях. При рассмотрении же системы машин интересуются не всеми деталями, а лишь существенными для системы. Говоря же о принципе, обращают внимание на ещё меньшее число самых важных рабочих органов. «Какой разряд машин мы бы не взяли, везде мы различаем, во-первых, принцип, характеризующий целый тип или разряд машин, во-вторых, разные системы, составляющие подотделы типа и, наконец, в-третьих, конструкции, составляющие вещественное осуществление принципа и системы; при этом один данный принцип повторяется в целом ряде систем, а одна система повторяется в ряде конструкций».

Энгельмейер вполне осознанно ставит перед собой задачу анализа и описания процесса проектирования, что диктуется в первую очередь потребностями и методикой преподавания. В настоящее время к этому можно добавить ещё необходимость такого описания для рациональной организации самого процесса проектирования, ставшего весьма сложным, и для решения задач автоматизации проектирования. С точки зрения этих последних задач, представляет интерес замечание, которое делает Энгельмейер: «Намереваясь изобрести машину для такой работы, которая до сих пор производится только человеком, прежде всего, необходимо видоизменить саму эту работу на машинный лад». Ведь, автоматизируя проектирование, мы фактически вынуждены предварительно машинизировать проектировочную деятельность человека.

В основу описания процесса проектирования Энгельмейер положил разработанную им трехактную теорию творчества, так называемый трехакт. Рассмотрим, в чём же состоит суть этих трех актов.

По Энгельмейеру, человеческое творчество есть совокупность трёх деятелей — желания (интуиции), знания и умения. Различает он и три вида продуктов деятельности: идеи (в сознании), процессы (во времени) и материальные вещи, то есть предметы (в пространстве). В соответствии с этими различениями он выделяет в самом процессе проектирования три стадии:

  1. Создание общего плана.
  2. Выработка из этого плана общей схемы.
  3. Разработка схемы детально, до полных чертежей включительно.

Первый акт — создание общего плана (происхождение замысла) — акт творческий (интуиция). На этом этапе определяется, чего хочет проектировщик, причём проектирование машины предполагает, что условия задачи ясно осознаны. Это творческий акт конструирования идеи машины, удовлетворяющей всем поставленным условиям. Он распадается на две стадии: творчество, дающее идею, причём такая идея является уже полным решением задачи, представляющей полную машину со всеми деталями, которые ещё только не видны: «процесс проектирования начинается с возникновения в уме изобретателя темной идеи, которая есть неясное, но полное решение задачи» (убеждение в том, что это — лучшее решение, пока основано на вере); на этом этапе главное — изобретательность и личный опыт; идея машины представляется самому её носителю загадкой, он вглядывается в неё, вынашивает идею, «думает о ней внутреннее чтение идеи для выполнения главных частей, в результате которого составится общий план машины; память и конструктивное воображение — вот деятели первого акта во второй его половине.

«Первый акт проектирования окончен, когда идея машины возникла и изобретатель настолько её распознал, что выяснил себе общий план машины, то есть её характер и главные рабочие органы». Теперь идея машины представляется в виде «карты малоизученной земли — есть оазисы, но ещё много белых пятен, их связывающих областей». Результат этого акта — принцип машины, в котором выражена сама его суть. Он даёт то, что хотя и недостаточно, но необходимо для достижения данного эффекта. Принцип характеризует целый ряд машин, самое существенное в них.

Второй акт — выработка схемы (логическое представление) — акт научный (знание). На этом этапе выясняется, что может проектировщик. «Второй акт получает машину в виде нескольких отдельно стоящих органов, и задача его заключается в том, чтобы выработать промежуточные члены и чтобы получить таким образом полную схему машины».

Теперь конструктора занимают не столько образы формы, сколько движения. Здесь фактически даётся кинематическое представление машины, но в более общем виде речь идёт о применении не только кинематики, но и математики, физики, механики, вообще естествознания. Творческий элемент здесь всё-таки играет все ещё важную роль, поскольку продолжается поиск, а математика лишь облегчает его приемы, естествознание даёт материал для поиска, но руководит этим поиском первоначальная «идея-сфинкс». На этом этапе проясняются все промежуточные органы, их расположение, главные размеры будущих деталей и так далее. Второй акт ведётся с помощью карандаша и бумаги. Здесь ещё рано перелистывать справочники (это может только помешать), а нужны теоретические руководства. В результате второго акта «машина предстанет перед нами вся, во всех частях, но только изображённая схематически». Второй акт даёт схему (для сооружения), систему (для машины) или план (для действия). Схема даёт то, что необходимо и достаточно для эффекта, то есть полное идейное содержание данного изобретения или проекта, полную мысль о нём. Говоря о системе машины, мы отвлекаемся от вещественной формы, а берём только её схему. План для известного действия — это всё равно, что схема для сооружения и система для машины. Слово «план» лучше всего подходит, например, к способам производства.

Третий акт — детальное выполнение (осуществление) — акт чертежный, ремесленный (умение). Здесь конструктивно выполняется изображение машины в окончательных действительных формах и размерах и проектирование деталей. Задача разбивается на столько отдельных задач, сколько существует отдельных деталей (частей в машине), и каждая деталь вырабатывается отдельно. Раз машина представлена схематически, дальнейшая окончательная выработка её вплоть до рабочих чертежей включительно — дело простое. Не только детали и простые инструменты, но и целые машины могут быть взяты из каталогов (в противном случае трехакт повторяется на уровне проектирования деталей). Поэтому здесь становятся так важны различные справочные руководства. Остальное — фактическое построение машины на производстве — дело ремесла. В результате третьего акта машина получается в виде рабочих чертежей, определённой конструкции (конструктивного варианта), то есть вещественного осуществления принципа и системы данной машины.

Конкретная машина — это только один экземпляр, серия (класс) машин может не иметь конструктивных различий. Тогда она описывается одной конструкцией (точнее было бы сказать — конструктивной схемой). Конструкция является общей для класса изделий производства. В случае технологии производства под «конструкцией» понимается конкретная совокупность рецептов и приёмов. Система (или схема) машины повторяется в ряде конструкций, а один какой-нибудь принцип — в ряде систем машин, то есть принцип характеризует целый ряд машин, прежде всего со стороны функции («то, ради чего»), а разные схемы составляют подклассы этого разряда. Таким образом, принцип, система (схема) и конструкция — это продукты логического отвлечения, отображающие некоторую сущность машины (проекта, изобретения).

Далее Энгельмейер выделяет конкретные случаи проектирования в машиностроительной практике:

  1. Требуется простое копирование машины — производится точная во всех частях копия данной машины без всяких изменений (этот случай не содержит вовсе проектирования).
  2. Следует держаться в точности данного типа машины — даны все части машины в своих формах и взаимном размещении и следует только придать машине другие размеры в соответствии с новым заказом (этот случай предполагает, что конструктору дана вся схема машины, то есть ему остаётся совершить только один третий акт).
  3. Нужно внести изменения в форму и расположение деталей, причём некоторые (главные части машины) берутся готовыми из другой существующей машины — это усовершенствование, упрощение, выработка нового типа, причём, как подчёркивает Энгельмейер, всякое усовершенствование есть, в конечном счёте, также и нововведение, то есть осуществление какой-нибудь новой идеи, но эта идея уже задана готовой (здесь строится полная схема машины, а затем в соответствии с ней вырабатываются все детали — этот случай содержит в себе второй и третий акты).
  4. Строится совершенно новая небывалая машина, предназначенная производить такую работу, которая до сих пор ещё машиной не производилась, — здесь не дано в сущности ничего нового, кроме рода работы (этот случай является довольно редким и представляет собой собственно изобретение машины в подлинном смысле слова; этот случай, как самый полный, содержит в себе всё предыдущие, в нём реализуется полный трехактный процесс проектирования).

Итак, подведём итог. Что же даёт нам трехакт? Во-первых, как мы уже видели, он даёт развёрнутое описание проектирования как полного процесса. Конечно, в конце XX века описание проектирования является в значительно большей степени детализированным в современной теории проектирования и системотехнике. Но Энгельмейер верно указал проблему и наметил оригинальный путь её решения. Во-вторых, он дал чёткую классификацию различных способов описания (представления) машины, а если рассматривать его в самом общем виде, — вообще любой технической системы, которая применима для изображения машины как в проектировании, конструировании, так и в технической науке. В-третьих, трехакт даёт возможность провести ясное различие между изобретением, проектированием, конструированием и наукой.

На рубеже XIX–XX веков проектирование как особый вид инженерной деятельности ещё было недостаточно развито и недостаточно отделено от конструирования. И в том, что Энгельмейер угадал тенденцию развития этого вида инженерной деятельности, главную роль сыграл его философско-методологический подход к данной проблеме. Немецкий инженер Ридлер примерно в то же время в своей книге «Машиностроительное черчение» даёт классификацию различных видов чертежей, применимых в машиностроении, что проливает дополнительный свет на эту проблему.

Ридлер выделяет три этапа проектирования: проектирование чертежей для проектов и смет; эскизы, цель которых — возможно просто изобразить сущность рабочие (исполнительские) чертежи, цель которых — служить посредником для передачи идеи конструктора исполнителю — рабочему и, конечно, мастеру и инженеру, руководящим сборкой.

Изготовление рабочих чертежей и является первейшей задачей конструктора. Первые же два типа чертежей разрабатывает собственно проектировщик. Чертежи для проектов и смет служат для расчёта экономической части проекта и рациональной организации работы (они нужны для технической дирекции). Эскизы проекта нужны для проведения предварительных научных расчетов и конструктивного выполнения идеи. Предварительные эскизы проекта в масштабе имеют целью наметить лишь взаимное положение и связь главных частей и поэтому должны содержать лишь то, что является существенным с этой точки зрения, опуская подробности, не относящиеся к взаимной связи частей или дальнейшее развитие которых не представляет затруднений. Это описание Ридлером реальной практики машиностроения того периода даёт нам более чёткое понимание уже наметившегося тогда разграничения обязанностей и функций проектировщика и конструктора.

Энгельмейер в своей работе «Творческая личность и среда в области технических изобретений» даёт более детальное описание связи и различий между изобретательством и конструированием. Чаще всего, по его мнению, «незнание условий фабричной выделки» приводит к тому, что изобретатель вырабатывает такую конструкцию частей машины, что если она даже и возможна, то стоит слишком дорого. Поэтому, заключает Энгельмейер, изобретатель должен быть хорошим конструктором. «Дело конструктора — это тоже мастерство. Конструктор берёт все готовым из справочников и атласов». Конструктор должен «в совершенстве знать фабрично-заводскую выработку по своей специальности». Это, конечно, не значит, что он все сам умеет делать своими руками, но он должен «наглядно владеть всем мастерством рабочих». Кроме того, он обязан следить за всеми нововведениями в фабрично-заводской практике».

Энгельмейер приводит два характерных примера, иллюстрирующих эти положения.

Первый пример. На Всероссийской выставке 1882 года демонстрировалась машина для выделки папирос, которая дает, по его мнению, хороший пример плохой конструкторской работы. «Вся компоновка машины выдавала полнейшее незнакомство изобретателя с конструктивным делом». Выполнена машина была с большим мастерством, да и материалы были самые лучшие. «Но форма и расположение частей были таковыми, что части работали при самых невыгодных условиях, почему должны были портиться». Короче говоря, машина в конструктивном отношении была неотработана: слишком сложна — в том смысле, что в ней не было конструктивной ценности, — «машина была вся слеплена из отдельных механизмов, очень любопытных в механическом кабинете», но не на практике. Изобретатель должен выработать своё изобретение так, чтобы оно употреблялось на практике и придать ему не просто законченную форму, а именно такую, которую требует практика — во-первых, практика его использования, употребления, эксплуатации («умение будущего потребителя»), во-вторых, практика производства, «фабрикации» (тех, кто будет выполнять изобретения), то есть конструктивные и технологические требования.

Второй пример Энгельмейер почерпнул из опыта завода сельскохозяйственных машин Р. Закка в Германии в 1883 году. Закк — бывший кузнец, был известным тогда изобретателем плугов и сеялок. Его завод изготавливал массово «очень небольшое число отдельных номеров машин». Но в техническом бюро завода работал всего один конструктор, который от Закка получал уже законченную во всех мельчайших деталях изобретённую им машину и по его указаниям вычерчивал сразу же чертежи каждой детали прямо в натуральную величину. Сам Закк ничего не чертил, а вынашивал все в воображении. Затем под его руководством по моделям и шаблонам, изготовленным в соответствии с рабочими чертежами, в мастерской строилась машина. Части её хорошо подходили друг к другу, но были неконструктивными. Это были каждый раз вновь изобретённые и вновь изготовленные детали, а не уже выпускаемые в существующем производстве стандартные части. Из этого примера видно ещё одно существенное отличие изобретателя от конструктора: «То, что конструктор берёт готовым, изобретателю надо выдумать».

3. Особенности теоретико-методологического синтеза научно-технических знаний

К проектированию мы вернёмся позднее, а теперь можно перейти к рассмотрению самих технических наук и вообще особенностей теоретико-методологического синтеза научно-технических знаний.

В самом общем виде можно выделить два основных способа теоретического синтеза научно-технических знаний: внутри- и междисциплинарный:

3.1. Внутридисциплинарный синтез: одноаспектные теоретические исследования в естественных науках и одноплановые (но многоаспектные) исследования в технических науках

Внутридисциплинарный синтез может быть одноаспектным и одноплановым.

Первый характерен прежде всего для естественных, второй — для классических технических наук. Единому абстрактному объекту одноаспектного исследования соответствует множество эмпирических объектов изучения. Например, в механике различные объекты изучения рассматриваются с точки зрения их движения. При этом любой объект изучения представляется в виде совокупности идеальных точек, то есть как особый абстрактный объект, отражающий некоторый определённый аспект объекта изучения.

Специфика технических наук заключается в том, что для разных режимов функционирования технической системы конструируются различные абстрактные объекты. Скажем, одна и та же электрическая цепь для переменных токов высокой и низкой частоты теоретически представляется и расчленяется по-разному. Причём каждому такому представлению соответствует вполне определённый математический аппарат. В то же время для каждой отдельной классической технической науки способ видения объекта исследования (и проектирования) является фактически одноплановым, детерминированным той базовой естественнонаучной дисциплиной, которая стимулировала её появление и развитие (теоретическая механика, термодинамика и так далее). В этом смысле абстрактные объекты классических технических наук (теории механизмов и машин, теоретической радиотехники, и так далее) можно считать однородными, а способ теоретического синтеза знаний в них — внутридисциплинарным и одноплановым.

В качестве примера можно взять комплекс (семейство) электротехнических дисциплин, где несмотря на многоаспектность решаемых ими задач, способ теоретического описания электрических цепей (как особого рода технических систем) в них остаётся одноплановым, задаваемым фундаментальной теоретической схемой базовой электротехнической дисциплины — теоретические основы электротехники (ТОЭ). «В различных направлениях теоретических исследований в электротехнике на уровне идеальных объектов описываются типовые процессы, происходящие в определённых классах электротехнических устройств. Эти теоретические описания составляют основание для целого ряда расчётных методик.

В генезисе при разработке первых идеализированных моделей электротехнических устройств и процессов в них из физики, наряду с привлечением теоретического описания физических процессов, заимствуется и её математический аппарат. В дальнейшем в каждом направлении исследований широко развёртываются подбор и разработка оригинального специально разработанного математического аппарата, собственных теоретических представлений, получают развитие формализованные методы моделирования электротехнических процессов. Происходит становление частных электротехнических дисциплин, каждая из которых имеет свой предмет исследования, и объединение их в комплекс. Что же их объединяет?

Во-первых, «сборка» разнопредметных срезов теоретического изучения электротехнических устройств, полученных в различных направлениях исследований (теории машин, устойчивости, охлаждения, коммутации, и так далее), осуществляется на расчётно-проектировочном, уровне. В каждой из этих теорий требования и положения смежных: теорий учитываются в виде специальных «сопрягающих» параметров, то есть тех или иных обобщённых характеристик «внешних» для данной теории процессов (коэффициент теплоотдачи, характеристики материалов и другие). Значения сопрягающих параметров входят в уравнения теорий частнотеоретического уровня, то есть в частные теоретические схемы. Это связь между различными электротехническими дисциплинами на частнотеоретическом уровне.

Во-вторых, функцию объединения электротехнических дисциплин, развиваемых в них теоретических схем частного уровня, выполняет фундаментальная электротехническая дисциплина — ТОЭ… Так раздел ТОЭ — теория электрических цепей (ТЭЦ) содержит ряд фундаментальных теоретических схем, являющихся основой синтеза частнотеоретических схем. Связь ТЭЦ с частными электротехническими дисциплинами, её функционирование в комплексе электротехнических дисциплин реализуется, в частности, через, схемы замещения, которые представляют собой определённого вида j схемы электрических цепей, выступающие в теоретическом исследовании в качестве изображения особого расчётного эквивалента, процесса, происходящего в каком-либо электротехническом устройстве в определённом режиме его работы. ТЭЦ является сферой получения доказательного, обоснованного знания об электрических цепях как таковых «вообще». Такие исследования необходимы, для того, чтобы выработать научно-обоснованные и удобные способы преобразования схем замещения и работы с ними, определить границы и условия их применения при решении конкретных инженерных задач средствами ТЭЦ.

Теоретические схемы, математический аппарат и понятия, развиваемые в ТЭЦ, являются общим языком электротехнической науки, обеспечивающим взаимопонимание представителей различных областей исследования. Он является средством единообразного описания различных по принципу действия и структуре электротехнических устройств, и на его основе возможно объединение проблем и результатов частных электротехнических дисциплин за счёт построения общей схемы замещения сложной технической системы путём соединения схем замещения отдельных её элементов. Тем самым обеспечивается однородность теоретического описания и трактовки процессов, происходящих в сложных и разнородных реальных электротехнических устройствах». Таким образом, как видно из приведённого примера именно теория электрических цепей как раздел теоретических основ электротехники задаёт единый план электротехнического исследования различных аспектов реальных электротехнических систем.

Таким образом, в одноаспектных теоретических исследованиях (естественные науки) тип исследуемого объекта не задан жёстко. Четко детерминирован только способ его представления и анализа. В одноплановых (но многоаспектных) классических технических теориях, напротив, жёстко задан тип технической системы, способ же её анализа и проектирования определяется характером решаемой инженерной задачи.

В теоретических схемах технической науки задаётся образ исследуемой и проектируемой технической системы.

Такого рода теоретическую схему развил, например, в технической термодинамике Сади Карно. «Он изучил машину, проанализировал её, нашёл, что в ней основной процесс не выступает в чистом виде, а заслонен разного рода побочными процессами, устранил эти безразличные для главного процесса побочные обстоятельства и сконструировал идеальную паровую машину (или газовую машину), которую, правда, также нельзя осуществить, как нельзя осуществить геометрическую линию или геометрическую плоскость, но которая оказывает, по-своему, такие же услуги, как эти математические абстракции: она представляет рассматриваемый процесс в чистом, независимом, неискаженном виде».

Техническая теория ориентирована не на объяснение и предсказание хода естественных процессов, а на конструирование технических систем. Естественнонаучные знания и законы должны быть значительно уточнены и модифицированы в технической теории, чтобы стать применимыми к решению практических инженерных задач. Так, академик С. А. Христианович, исследуя движение грунтовых вод через крупнозернистые пески или щебень, показал, что в данном случае закон Дарси, устанавливающий соотношение между уклоном и скоростью фильтрации однородной несжимаемой жидкости, становится неверным, так как в нём не учитывается целый ряд важных для решения практических инженерных задач факторов. Анализируя распределение давления газа вблизи движущейся свободной поверхности угля, обрушение кровли при горной выработке или деформацию упрочняющего пластического материала, С. А. Христианович использует практический инженерный опыт для корректировки известных теоретических положений соответствующей естественнонаучной теории (в данном случае механики твёрдого тела). «Состояние теории пластической деформации, — пишет он, — несмотря на большое число теоретических исследований, оставляет чувство неудовлетворённости. Сейчас накопилось достаточно Экспериментального материала, который отчётливо показывает, что во многих случаях наблюдаются не оставляющие сомнений качественные противоречия между выводами классических теорий и экспериментом. Это побуждает к пересмотру основных положений теории». При этом он формулирует новые понятия и положения именно технической теории, в которой теоретическое рассмотрение тесно переплетается с непосредственными практическими приложениями.

Чтобы довести теоретические знания до уровня практических инженерных рекомендаций, в технической теории разрабатываются особые правила, устанавливающие соответствие между сферой абстрактных объектов технической теории и конструктивными элементами реальных технических систем, и операции перенесения теоретических результатов в область инженерной практики.

Как уже указывалось, один из создателей теории механизмов и машин английский учёный Роберт Виллис ещё в 1841 году ввёл различение «чистого» и «конструктивного» механизмов, первый из которых является продуктом обобщения, то есть абстрактным объектом технической теории, а второй представляет собой пунктуальное описание действительной конструкции машины, то есть принадлежит к эмпирическому уровню знания. Конечно, «конструктивный» механизм — это также результат некоторой идеализации, однако его элементы чётко соответствуют конструктивным блокам реальной машины. В свою очередь чистым движениям, описываемым в «чистом» механизме, адекватны типовые конструктивные элементы (ведущее и ведомое звенья) и связи между ними (соприкосновение качением, скольжением и так далее). Инженер должен был при конструировании передаточного механизма производить его расчёт два раза — с точки зрения кинематики («чистого» механизма), независимо от сил и в контексте статики («конструктивного» механизма), что задавало двухслойность его рассмотрения. Результат, полученный французским учёным Луи Пуансо в области теории вращения тел, показавший параллелизм основных понятий статики и кинематики, дал возможность Виллису обеспечить переход от кинематического представления машины как системы преобразований движения к статическому конструктивному изображению. Если заменить в положениях статики понятия «сила» и «пара сил» понятиями «скорость вращательного» и «скорость поступательного» движений, то они будут преобразованы в понятия кинематики, поскольку все возможные движения твёрдого тела могут быть сведены к этим основным типам.

В технической теории имеют место три основных слоя теоретических схем: функциональные, поточные и структурные.

Функциональная схема фиксирует общее представление о технической системе независимо от способа её реализации и является общей для целого класса технических систем. Блоки этой схемы фиксируют только те свойства элементов технической системы, ради которых они включены в неё для выполнения общей цели, и выражают обобщённые математические операции, а отношения между ними — определённые математические зависимости.

Так, при расчете электрических цепей с помощью теории графов элементы электрической схемы — индуктивности, ёмкости, сопротивления и так далее — заменяются по определённым правилам особым идеализированным функциональным элементом — унистором, который имеет только одно функциональное свойство — оно пропускает электрический ток лишь в одном направлении. К полученной после такой замены однородной теоретической схеме могут быть применены топологические методы анализа электрических цепей. В качестве подобной функциональной схемы может быть также использована потенциальная диаграмма, позволяющая просто находить напряжения между любыми точками электрической цепи (каждой точке цепи соответствует определённая точка потенциальной диаграммы по построению): действующее значение и фаза исходного напряжения определяются прямой, соединяющей соответствующие точки потенциальной диаграммы. Для такой замены используются различные методы — комплексный, контурных токов, узловых напряжений, наложений и так далее. На основе функциональной схемы составляется система уравнений, которая решается с помощью определённых математических методов (например, матричных). Эти уравнения составляются на основе физических законов (Ома, Кирхгофа и другие), устанавливающих, например, зависимость между параметрами протекающего в цепи электрического тока и её элементов. Известные из условия задачи их конкретные численные значения позволяют в результате решения данных уравнений вычислять неизвестные параметры тока и элементов цепи. На функциональной схеме проводится решение математической задачи с помощью стандартной методики расчёта на основе применения ранее доказанных теорем. Для этого функциональная схема по определённым правилам преобразования приводится к типовому виду. Так, в теории электрических цепей смешанные соединения преобразуются в более простые последовательные и параллельные соединения, многоконтурные схемы — в одноконтурные, и так далее. Для описания такого рода упрощающих преобразований в теории электрических цепей специально доказывается эквивалентность некоторых типовых схем (например, «треугольника» и «звезды» и наоборот) и особые теоремы (скажем, об эквивалентном источнике тока и напряжения), позволяющие получать более удобные для расчёта схемы. Это даёт возможность заменять определённые участки цепи другими, эквивалентными им и упрощающими схему, а следовательно, и последующий её математический расчёт.

В классической технической науке функциональные схемы привязаны к определённому типу физического процесса (режиму функционирования технического устройства) и отождествляются с какой-либо математической схемой или уравнением. Однако они могут быть выражены в виде декомпозиции взаимосвязанных функций, которые направлены на выполнение общей цели, предписанной данной технической системе. На их основе строится алгоритм функционирования технической системы и выбирается её конфигурация.

Поточная схема описывает естественные (электрические, механические, гидравлические и так далее) процессы, протекающие в технической системе, то есть её функционирование, и опирается на естественнонаучные представления. Однако это могут быть любые естественные процессы — химические, если речь идёт о теоретических основах химической технологии, биологические, если речь идёт о биотехнологии, а в общем случае и вообще любые потоки субстанций (вещества, энергии, информации). Стационарные состояния рассматриваются в данном случае как частный случай процесса.

Структурная схема технической системы фиксирует конструктивное расположение её элементов и связей, то есть её структуру с учётом предполагаемого способа реализации, и представляет собой теоретический набросок этой структуры с целью создать проект будущей t технической системы: с одной стороны, результат технической теории, а с другой — исходный пункт инженерно-проектной деятельности по разработке на её основе новой системы или теоретическое описание существующей технической системы с целью её теоретического расчёта и усовершенствования. Эти схемы строятся на базе представлений специализированных научно-технических дисциплин. В частном случае структурная схема в идеализированной форме отображает техническую реализацию физического процесса. В современных же человеко-машинных системах такая реализация может быть самой различной, в том числе и не технической.

Рассмотрим отличие структурных теоретических схем от поточных схем на примере теории электрических цепей. Каждому элементу поточной схемы соответствует вполне определённый физический процесс, детальное описание которого выходит за пределы теории электрических цепей, но учитывается в ней. Например, сопротивление как элемент электрической цепи отображает безвозмездные потери электрической энергии в цепи в результате её перехода в другие виды энергии — тепловую, химическую и так далее.

Представление об электрическом токе как движении зарядов относится к теоретическим объектам другого уровня. В теории электрических цепей электрический ток рассматривается как однородный физический процесс с операционально выделенными параметрами. Они регистрируются с помощью соответствующих измерительных приборов: сила тока — амперметром, напряжение — вольтметром и так далее. Наиболее наглядно вид электрического тока высвечивается на экране осциллографа, который сам, как измерительный прибор, создан на основе теории цепей, а изображение, им воспроизводимое, является реализацией определённой теоретической схемы. В теории электрических цепей этот процесс выражается определённой взаимозависимостью физических параметров элемента цепи (например, напряжения от силы тока или электрического заряда от напряжения) и числом соответствующих единиц измерения (ом, фарад, герц, и так далее).

Элементы электрической цепи образуют ветви, которые соединяются в узлы и контуры при помощи идеальных электрических связей, то есть связей, не обладающих сопротивлением, индуктивностью и ёмкостью, хотя реальные проводники ими, конечно, обладают. Наиболее отчётливо различие структурной и поточной схем электротехнического устройства обнаруживается в электромеханических системах и в цепях с распределёнными параметрами (коаксиальных кабелях, длинных линиях и так далее), которые теоретически представляются как эквивалентные им в заданном режиме функционирования цепи с сосредоточенными параметрами, которые могут рассчитываться в теории электрических цепей или теории электромагнитного поля. В этом случае её структурной схеме соответствуют различные поточные схемы. Кроме того, поточная схема может быть представлена в дальнейшем разными функциональными схемами, основанными на соответствующем математическом аппарате. В то же время при обратном преобразовании каждой функциональной схеме может соответствовать несколько поточных, а каждой из них в свою очередь несколько структурных схем. Для разного типа характеристик естественного процесса (например, частоты электромагнитных колебаний), то есть для различных режимов функционирования технической системы, может быть несколько способов реализации структурной схемы. В этом случае определяющими являются конструктивно-технические и технологические требования: габариты и вес, легкая доступность и сменяемость деталей, характер их расстановки и крепления и так далее. Причём расположение элементов и соединительных проводников диктуется не только конструктивными требованиями, но и особенностями протекания естественного (физического) процесса. Например, могут возникать так называемые паразитные влияния, существенно ухудшающие характеристики функционирования данной технической системы. Таким образом, режим функционирования (ход естественного процесса) определяет конструктивные особенности технической системы и, наоборот, эти особенности существенно влияют на изменение этого режима.

В технической теории на материале одной и той же технической системы строится несколько оперативных пространств, которым соответствуют различные теоретические схемы. В каждом таком пространстве используются разные абстрактные объекты и средства оперирования с ними, решаются особые задачи. В то же время их чёткое соответствие друг другу и структуре реальной технической системы позволяет переносить полученные решения с одного уровня на другой и в сферу инженерной деятельности.

В одной из своих ранних работ Р. Карнап, по его собственному свидетельству, под влиянием кантианской философии ввёл представление о трёх видах пространства — формальном, созерцательном и физическом. Если их понимать как различные слои картины исследуемой реальности или теоретических схем, оперативные поля теории, то можно усмотреть параллели с введёнными нами выше представлениями о трёх типах теоретических схем. Сам Карнап в более поздних работах отказался от этих представлений, считая их заблуждением молодости. И действительно, они не вписываются в последовательную неопозитивистскую модель теории.

В формальном пространстве речь идёт о бессодержательных (формальных) отношениях, на место которых могут быть поставлены самые разные вещи — числа, цвета, степени родства, круги, суждения, люди и так далее. В созерцательном пространстве отображаются отношения между обычными пространственными структурами — линиями, плоскостями, частями пространства, определённые особенности которых мы схватываем в чувственных восприятиях или простых представлениях. Но при этом ещё не идёт речь об опытной реальности имеющихся пространственных фактов, а о сущностях, которые могут быть приняты в качестве своего рода их репрезентанта. Физическое пространство — пространство конкретных вещей и связей между ними — предполагает для своего познания созерцательное пространство, которое в свою очередь находит в формальном пространстве чистую форму своего строения и соответствующие мыслительные предпосылки. Если трактовать понятие «пространство» абстрактно, как картину исследуемой реальности, то «физическое пространство» чувственно осязаемых предметов и связей между ними предстает для физической теории в виде структурной схемы экспериментальной ситуации, всегда достигаемой со времён физики Нового времени техническими средствами.

Действительно, чтобы осуществить эксперимент, необходимо, устранив побочные явления, воссоздать естественный процесс искусственным путём в условиях, которые не наблюдаются в природе в чистом виде. В свою очередь, искусственно созданные в эксперименте ситуации должны быть представлены и описаны как идеализированные конструкции. Достаточно вспомнить эксперимент по проверке свободного падения тел Галилео Галилея, который выбрал для бросаемого шарика очень твёрдый материал, позволяющий фактически пренебречь его деформацией. Кроме того, стремясь устранить трение на наклонной плоскости, он оклеил её отполированным пергаментом. В данном случае такой идеализированной структурной схемой эксперимента является наклонная плоскость.

Искусственно полученная экспериментальная ситуация рассматривается далее как некоторый идеализированный естественный процесс движения природных тел по наклонной плоскости, то есть уже в некотором «созерцательном пространстве», где фигурируют не данные нам в чувственном восприятии конкретные предметы и связи реальной экспериментальной ситуации, а их обобщённые репрезентанты, выражающие наиболее существенные свойства естественных (физических) процессов. Фактически именно «созерцательное пространство» задаёт картину физической реальности, которая может быть экстраполирована на определённый класс реальных объектов, относительно которых, например, можно пренебречь трением и упругой деформацией, и является условием построения и объяснения конкретных экспериментальных ситуаций. В то же время оно представляет собой оперативное средство представления этих реальных ситуаций и в этом аспекте коррелируется с «формальным пространством», в котором структуры «созерцательного пространства» выступают в качестве объектов оперирования (с которыми осуществляются различные математические действия и преобразования), замещающих в определённом отношении реальные объекты.

В развитой теории именно в «формальном пространстве» происходит её дедуктивное развёртывание с целью разрешения возникающих научных проблем математическими средствами. Это пространство может быть отождествлено с введёнными нами выше представлениями о функциональных теоретических схемах технической теории.

Особое звучание эти идеи приобретают в связи с исследованиями в области искусственного интеллекта, в особенности графического представления информации. Здесь также выделяются три уровня: абстрактной вычислительной теории, в которой формулируются формальные информационные структуры, представления и алгоритма, то есть «поточной» схемы обработки информации, и, наконец, их физической реализации в виде конкретного технического исполнения. Причём подчёркивается, что реализации трёхмерного изображения реальных предметов предшествует их двухмерное геометрическое представление, которое в свою очередь основывается на формальном математическом исчислении. Эти работы по машинному воспроизведению графических представлений основываются на самых современных исследованиях в области психофизиологии зрительного восприятия и формирования образов. Они фактически продолжают традицию художников эпохи Возрождения, повлиявших также и на основы экспериментального математизированного естествознания Нового времени.

По мнению Леонардо да Винчи, «живопись распространяется на философию природы» и «состоит из тончайших умозрений» — это наука об изучении законов природы, «образ природы». Живопись основана на зрении, «благороднейшем из чувств человека», окне души, которое «непосредственно ведёт к интеллекту». Но поскольку она базируется на зрении, в её основе лежит геометрия, однако не абстрактная, отвлечённая от действительности, природы, а тесно связанная с ней — учение о перспективе. Альберти в связи с этим отмечал: «… я пишу об этих вещах не как математик, а как живописец; математики измеряют форму вещей одним умом, отрешившись от всякой материи», живописец же «должен стараться изобразить то, что видимо». Поэтому он задаёт материально зримые образы математических объектов: поверхность — это «крайняя часть тел, которая познается не в своей глубине, а только лишь в своей длине и ширине, а также в своих качествах… Плоская поверхность будет такая, что если положить на неё прямую линейку, она во всех частях будет к ней прилегать. С такой поверхностью очень сходна поверхность воды… поверхности приобретают различия в зависимости от перемены места и света».

Это уже переход от геометрического («созерцательного») пространства к физическому, реальному пространству, но представленному в виде первичной идеализации реально воспринимаемых предметов и структур, или, иначе, реализации чисто геометрических образов. Для художников Возрождения живопись — это, прежде всего, конструирование на основе исследования естественных, природных структур совершенного изображения: если такового нет в природе, художник составляет его из различных существующих в природе вещей (как изображение совершенного человека). За всем этим лежит развитая тогда теория физиологической и геометрической оптики. Альберти, например, далее пишет: «Поверхности измеряются некими лучами, как бы служителями зрения, именуемыми поэтому зрительными, которые передают чувству форму предметов». Эти лучи Альберти представляет в виде тончайших нитей, идущих от глаза к противолежащей поверхности.

Это и есть предпосылка «математизации природы», характерная для современного естествознания со времён Галилея. Галилей, как известно, был хорошо знаком с учением о перспективе итальянских живописцев. Он в течение всей своей жизни дружил с Л. Чиголи выдающимся живописцем того времени и даже помог ему разработать аргументы против тех, кто утверждал, что скульптура выше живописи. Именно геометризация природы, или, иначе, материализация геометрии, позволила Галилею создать новую науку.

Итак, визуализация объектов природы художниками Возрождения позволила дать их геометрическое описание в науке Нового времени. Но и современная инженерная деятельность также пользуется её средствами — работа в «пространстве» чертежа, схемы закладывает основы будущих инженерных проектов, графической проектной документации, которая продуцируется всё чаще и чаще компьютерным способом. «В уме образуется нечто, что, будучи затем выражено руками, именуется рисунком», который представляет собой, по словам Вазари, «не что иное, как видимое выражение и разъяснение понятия… которое человек вообразил в своём уме и которое создалось в идее». Но графическое изображение, рисунок являются основой всех механических искусств. «Ведь ни один кузнец или ремесленник, — пишет Паоло Пино, — не сможет сделать даже ложки без рисунка». Все это генетически сближает физическую и техническую теории при сохранении, конечно, их специфического содержания.

Структурные теоретические схемы можно обнаружить и в естественных науках. Только они, как правило, менее развиты в ней, смешиваются часто с практическим описанием экспериментальных ситуаций и поэтому обычно выпадают из сферы методологического анализа естественнонаучной теории.

Наиболее рельефно соотношение математической (функциональной) схемы — геометрической кривой, которую описывает маятник в часах, циклоиды, представления физического процесса качания маятника (поточной схемы) и конструкции часов (структурной схемы) прослеживается в теории изохронного качания маятника Христиана Гюйгенса. Прежде всего, Гюйгенс в процессе конструирования нового механизма часов делает важный теоретический вывод, послуживший отправным пунктом для создания более совершенного механизма: изохронность математического маятника, то есть независимость периода его колебаний от амплитуды размаха справедлива лишь приближённо для малых углов размаха.

Задача, стоявшая перед Гюйгенсом, заключалась в необходимости сконструировать точные часы для физических экспериментов. Необходимой точности Гюйгенс достиг, найдя при помощи геометрии новый способ подвешивания маятника, в результате чего ход часов стал правильным и надёжным. Для этого он использует изохронное качание маятника, то есть подчиняющееся определённому математическому соотношению: время падения такого маятника от какой-либо точки пути до самой низкой точки не должно зависеть от высоты падения. Анализируя движение тела, удовлетворяющее этому математическому соотношению, Гюйгенс приходит к выводу, что маятник будет двигаться изохронно, если он будет падать по циклоиде, обращённой вершиной вниз. Таким образом, он решает прежде всего математическую задачу: по какой кривой должна двигаться точка, если период её колебаний не зависит от амплитуды, то есть чтобы время качания маятника не зависело от величины размаха (физическая проблема, эквивалентная этой задаче). Открыв далее, что развёртка циклоиды есть также циклоида, он подвесил маятник на нитке и поместил по обеим её сторонам циклоидально изогнутые полосы так, чтобы при качании нить с обеих сторон прилегала к кривым поверхностям, ограничителям, изогнутым в форме щек, на которые частично наматывалась нить подвеса маятника (структурная схема — описание механического устройства часов). Тогда маятник действительно описывал циклоиду. Такому выводу предшествовали специальные исследования по теории механики. Гюйгенс фактически реализовал путь приложения научных знаний, намеченный Галилеем: от математической, геометрической схемы (циклоиды) к физическим представлениям и процессам (качание маятника) и от них к структурной схеме — конструкция часов.

По характеристике Александра Койре, часы Гюйгенса — это воплощённая физическая теория. Исходя из технических требований, предъявляемых к качанию маятника, и знаний механики, Гюйгенс определил конструкцию, которая может удовлетворять данному требованию. Решая эту задачу, он отказывается от традиционного для того времени метода проб и ошибок, типичного для ремесленной деятельности вообще, и обращается к науке. Гюйгенс сводит действие отдельных механизмов часов к естественным (физическим) процессам и закономерностям, исследуемым теоретически. Полученные теоретическим путём знания он использует для определения конструктивных характеристик нового механизма. Другими словами, он опирается на установленные Галилеем отношения между научным знанием (абстрактным объектом теории) и реальным экспериментальным объектом. Но если Галилей показал, как приводить реальный объект в соответствие с абстрактным объектом и, наоборот, превращать этот абстрактный объект в экспериментальную модель, то Гюйгенс продемонстрировал, каким образом полученное в теории и эксперименте соответствие абстрактного и реального объектов использовать в технических целях. Тем самым и Гюйгенс, и Галилей практически осуществляли то целенаправленное применение научных знаний, которое и составило основу инженерного мышления и технической науки. Но те же самые механизмы, только в перевёрнутом виде были внесены ими в физическую теорию, где главным остаётся схема физического процесса (поточная схема), а не структурная схема нового технического или экспериментального устройства.

Таким образом, в классической технической и физической теориях обнаруживается много общего. Точно так же, как и в естественной науке, в технических науках можно выделить частные и обобщённые (фундаментальные) теоретические схемы. Первые соответствуют отдельным исследовательским направлениям или областям исследования, вторые — целым научно-техническим дисциплинам или даже семействам таких дисциплин, группирующихся вокруг какой-либо одной базовой технической науки. В последнем случае обобщённая теоретическая схема становится универсальной относительно данного класса технических систем за счёт введения процедуры синтеза, позволяющей проецировать эту схему на класс потенциально возможных (гипотетических) технических систем определённого типа.

Такую последовательную универсальную для исследования различного рода механизмов теоретическую схему разработал в конце прошлого столетия российский машиновед В. Л. Ассур, исходя из единых принципов их структурной классификации. Такая схема давала возможность не только распределять механизмы на группы по общим признакам, но и применять общие методы решения задач. Некоторые из них были разработаны самим Ассуром, например методы «особых точек», «ложных картин скоростей» и другие, иные же, разработанные другими учёными и инженерами ранее, он включил в контекст своей классификации.

Эти методы заключались в установлении чёткого соответствия между геометрическими представлениями механизма (функциональными схемами) и его кинематическими (поточными) схемами. Скажем, при использовании метода аналогов скоростей и ускорений решение задачи распадается на два этапа: сперва производится определение геометрической модели движения с помощью аналогов скоростей и ускорений, а затем с помощью кинематических и динамических данных движение механизма приводится к данному конкретному случаю. На базе такого рода обобщённой, или универсальной, для данного класса технических систем (механизмов) теоретической схемы В. В. Добровольский и И. И. Артоболевский создали математизированную теорию механизмов. Причём для решения задачи математизации возникла необходимость некоторой модификации этой схемы. Каждый механизм стал рассматриваться как кинематическая цепь, которая состоит из одного или нескольких замкнутых контуров и нескольких замкнутых цепей, служащих для присоединения звеньев контура к основным звеньям механизма. Для того чтобы образовать из контура-ядра новые механизмы, принадлежащие к данной группе, необходимо присоединить к нему поводки и ветви. В результате проведения такой классификации выяснилось, что механизмы одного и того же рода исследуются идентичными методами. Это позволило создать общую теорию кинематических цепей с развитым слоем функциональных схем. В теории механизмов появилась возможность получать новые конструктивные схемы механизмов дедуктивным способом.

Таким образом, в работах Добровольского и Артоболевского впервые было осуществлено проецирование теоретической модели на класс потенциально возможных (гипотетических) технических систем определённого типа — механизмов. Сам Артоболевский характеризует полученные результаты следующим образом:

  1. Законы структурного образования являются общими для всех механизмов.
  2. Анализ общих законов структуры механизмов позволяет установить все возможные семейства и роды механизмов, а также создать единую общую классификацию механизмов.
  3. Структурный и кинематический анализ механизмов одного и того же семейства и класса может быть проведён аналогичными методами.
  4. Проведённые исследования показывают, что современная техника использует очень малое количество механизмов. Предлагаемый метод структурного анализа даёт возможность обнаружить огромное число новых механизмов, до сих пор не применявшихся в технике. Эти новые виды механизмов могут быть рекомендованы к использованию на практике.

Дальнейшее развитие этой технической теории шло по пути разработки все более обобщённой теоретической схемы, её развёртывания в соответствии с заданными принципами. Во-первых, она была распространена на новые типы конструктивных элементов — пространственные механизмы и жидкие звенья и так далее. Во-вторых, кинематическое представление — структурная схема теории механизмов — было распространено на двигатель и орудие: машина — это механизм в работе, машина на холостом ходу — механизм. Двигатель и орудие рассматриваются в этом случае как двигательный и исполнительный механизмы. В-третьих, методы и теоретические схемы динамики были распространены на исследование передаточных механизмов. Именно поэтому данная теория получила название теории механизмов и машин. Доказательством универсальности построенной Добровольским и Артоболевским теоретической модели и правильности выводов из неё явилась сама инженерная практика. Данная модель оказалась весьма действенным инструментом в руках конструкторов.

Внутридисциплинарный теоретический синтез связан с интеграцией научно-технических знаний внутри дисциплины за счёт дифференциации, выделения в ней новых направлений и областей исследования и включает:

  • отпочкование новой области знания от базовой естественнонаучной, математической или социально-гуманитарной дисциплины;
  • ветвление внутри данного семейства научно-технических дисциплин.

Отпочкование новой области знания от базовой естественнонаучной, математической или социально-гуманитарной дисциплины происходит за счёт приспособления функциональной (математической), поточной и структурной (экспериментальной) схем для описания и проектирования технических систем определённого типа.

На первом этапе формирования новой научно-технической области знания по этому типу идеальные объекты и даже целые теоретические схемы транслируются из смежных теоретических областей. Например, такую транспортировку исходной теоретической схемы теории механизмов осуществил французский учёный и инженер Гаспар Монж, создатель начертательной геометрии. Первоначально именно в начертательной геометрии формулирует он исходную теоретическую схему теории механизмов и машин.

Разработка разнообразных машин (подъёмных, паровых, прядильных, ткацких, мельниц, часов, станков, и так далее) к концу ХVIII века становится самой развитой областью инженерной деятельности.

Однако их конструирование основывалось первоначально на теории простых машин (наклонная плоскость, блок, винт, рычаг и так далее). Чтобы применить её в инженерной деятельности, необходимо было так схематизировать сложные машины, чтобы их части можно было представить в виде сочетания нескольких простых машин — идеальных объектов, с которыми были связаны типовые расчёты. Однако многочисленные машины, построенные к этому времени, не укладывались в такого рода теоретическую схему, основанную на изображении передачи сил. В инженерной практике все более требовалось осуществить передачу движения с изменением его характера, направления, скорости. Это было обусловлено особенностями машинного производства, где множество станков должны были приводиться в движение одной машиной-двигателем, например паровой машиной.

Таким образом, идеальные объекты теории простых машин не отвечали запросам практики. В то же время для проведения инженерных расчетов, без которых невозможно создание сложных машин, требовалась определённая схематизация проектируемой технической системы — машины. По предложению Монжа курс построения машин, введённый им впервые в Парижской политехнической школе, должен был составить часть курса начертательной геометрии. Машина теперь рассматривалась не с точки зрения равновесия её частей, как это делалось прежде, а с точки зрения движения частей в соответствии с требованиями инженерной практики. Элементарные составные части машины стали тогда описываться как приспособления, с помощью которых можно получить из движений одного вида движения другого вида. Такого рода идеализированное представление машины необходимо инженеру, создающему проект, во-первых, для проведения расчетов (поскольку оно даёт представление об относительном сравнении величин) и, во-вторых, для её описания в виде последовательности преобразований естественного процесса — движения. Это обеспечивает переход от исходной математической (функциональной) схемы к поточной теоретической схеме машины, позволяющей использовать естественнонаучные знания.

Работы последователей Монжа были направлены на адаптацию выбранной им исходной теоретической схемы в соответствии с обширным новым эмпирическим материалом, накопленным к этому времени в практике создания машин. Его коллега по Парижской политехнической школе Ашетт попытался дать такого рода описание машин с точки зрения начертательной геометрии. Эта работа была продолжена в книге М. Ланца и А. Бетанкура «Курс построения машин», которая представляет собой одну из первых попыток теоретической систематизации и объяснения всех основных машин того времени. Однако для них ещё характерна неоднородность изображения машин. В одних случаях (в основном для наиболее теоретически разработанных областей, например теории зубчатых колес) изображение является последовательной реализацией исходного теоретического принципа. Оно представляет собой достаточно абстрактную схему, позволяющую решать инженерные задачи с применением средств прикладной математики и теоретической механики. В других случаях это только рисуночное изображение и объёмные эскизы соответствующих машин, не подвергнутые теоретической обработке. Кроме того, в книге Ланца и Бетанкура почти полностью отсутствовали расчёты (для них также требовалось более обобщённое описание машин). Эту работу проделали другие последователи Монжа в Парижской политехнической школе, работы которых были направлены на адаптацию выбранной им исходной теоретической модели в соответствии с обширным новым эмпирическим материалом, накопленным к этому времени в практике создания машин.

Именно в результате такого рода работы удалось выделить объект исследования будущей теории механизмов — передаточный механизм, как ту часть любой машины, которая может быть подведена подданную схему.

Например, Ж. Кристиан в «Курсе индустриальной механики», исследуя сущность механической операции, отмечает, что первая группа элементов, составляющих машину, применяется исключительно для восприятия движения, полученного от двигателя. Вторая группа специально предназначена для переноса в различных направлениях и для различных преобразований этого движения. Наконец, третья группа элементов машины необходима для выполнения действий над материалом (механической обработки). Таким образом, Кристиан чётко выделяет три части всякой машины: двигатель, передаточный механизм и орудие. Значительное место он уделяет специальному рассмотрению именно передаточных механизмов и подчёркивает необходимость их отдельного исследования. Такое выделение передаточного звена было связано с тем, что на него в то время приходилась основная доля инженерной работы. Остальные части машины, например, двигатели, были ещё не развиты и изготавливались на уровне ремесла или брались готовыми как живые двигатели. Однако, прежде всего, передаточное звено явилось следствием наложения на эмпирический материал и адаптации к нему исходной теоретической схемы Г. Монжа.

В более поздний период немецкий инженер Ф. Рело поставил своей целью создать обобщённую теоретическую схему этой развивающейся технической науки, которая позволила бы не только объяснять принцип действия существующих, но и облегчить создание новых механизмов. Для этого он использовал достаточно развитую к этому времени графическую статику, опиравшуюся на методы проективной геометрии («геометрии положения»). Однако если последняя имела дело с математическими идеальными объектами (прямая, плоскость и так далее), то в графической статике решались физические и инженерные задачи. Мосты, строения и другие инженерные объекты представлялись в ней в виде геометрических фигур, например многоугольника сил. Транслировав обобщённую теоретическую схему из этой смежной области, Рело приспособил её под новый эмпирический материал, развивая одновременно исходную теоретическую модель Монжа. Рело строит особую «кинематическую» геометрию (называя её «чистой кинематикой»), описывающую различные приёмы решения задач. Эти приёмы отдельно разрабатываются им для любых тел и лишь затем прилагаются к машинам. На основе данной геометро-кинематической схемы Рело проводит более детальное расчленение механизма на части, чем его предшественники.

На базе предложенной Рело обобщённой теоретической схемы — кинематической геометрии, развитой затем российским учёным Л. В. Ассуром (распространённой им на обширный эмпирический материал — все существующие в то время механизмы), В. В. Добровольским и И. И. Артоболевским, как уже было указано, была создана математизированная теория механизмов. В результате проведения такой модификации выяснилось, что механизмы одного и того же рода исследуются идентичными методами. Это позволило в итоге создать общую математизированную теорию кинематических цепей. Как видно из приведённого примера, исходная теоретическая схема заимствованная из базовой дисциплины, проходит процесс её длительной адаптации путём наложения на определённый эмпирический материал. Этот процесс сопровождается перестройкой исходной модели за счёт конструктивного введения новых идеальных объектов и схем. В условиях формирования новой технической науки процесс адаптации исходной теоретической модели включает попытки описания существующих технических систем с помощью этой модели и выделения частей данных систем, наиболее хорошо представляемых в ней, которые и становятся впоследствии самостоятельным объектом исследования и проектирования новой научно-технической дисциплины.

Ветвление внутри данного семейства научно-технических дисциплин. В этом случае привлекаются либо новые математические методы и схемы (как в статистической радиотехнике), либо новые естественнонаучные представления (как в квантовой электронике), либо новая технологическая и конструктивная база (как в микроэлектронике). Образование новой дисциплины по этому способу может происходить и за счёт отпочкования новой области исследования от классической технической теории (например, радиолокации от радиотехники). При этом в качестве базовой выступает уже не естественнонаучная, а техническая теория, из которой и транслируются нормы и образцы научного исследования. В процессе формирования новых исследовательских направлений, областей исследования и дисциплин внутри данного семейства новые теоретические схемы как бы наслаиваются на старые схемы базовой технической теории с одновременной модификацией и развитием старых схем. Примером здесь может служить теоретическая радиолокация, в которой можно выделить три слоя взаимосогласующихся теоретических схем, условно называемых нами электротехническими, радиотехническими и радиолокационными.

Электротехнические теоретические схемы связаны с исследованием физических процессов, протекающих внутри элементов и блоков радиотехнических и радиолокационных устройств. Эти схемы связаны с расчётом параметров и отображением процессов протекания электрических токов в стандартных электротехнических элементах: сопротивлениях, конденсаторах, катушках индуктивности. Конечно, они могут быть лишь условно электротехническими. Для описания физических процессов в новых физических элементах таких, например, как электронные лампы или полупроводниковые приборы, используется электронная теория. Однако для расчёта схем, в которые они включены, как правило, применяются традиционные электротехнические эквиваленты (резисторы, ёмкости и так далее). Поскольку в элементах и схемах радиолокационных устройств (клистронах, магнетронах, электронно-лучевых трубках, антенных устройствах, различных импульсных схемах и так далее), работающих в новых для радиотехники режимах, протекают иные физические процессы, потребовалась модификация старых или разработка совершенно новых методов их расчёта и способов представления, а также привлечения новых математических средств. Это стимулировалось, кроме того, необходимостью исследования и разработки способов подавления внутренних шумов элементов радиолокационной аппаратуры (скажем, дробового эффекта в электронных лампах).

В радиолокации были трансформированы и радиотехнические схемы, прежде всего, за счёт расширения диапазона применяемых на практике радиоволн. Изучение законов распространения электромагнитных колебаний сантиметрового и дециметрового диапазонов, стимулированное радиолокацией, позволило выявить новые аспекты электродинамической картины мира, на которую опирается радиотехника. Поскольку для радиолокации существенным является учёт шумов и помех в окружающей среде, то отождествление последней со свободным пространством уже не было адекватным задачам, решаемым в радиолокации. Важно было учитывать влияние этой среды на распространение радиоволн, например явление рефракции (искривления направления радиоволн), дисперсии (зависимости фазовой скорости от частоты), поглощения или рассеяния волн в разных средах, и так далее. Необходимость обнаружения и опознания «целей» по характеру влияния их на радиоволны стимулировали исследование рассеивающих свойств различных объектов — зеркальное отражение, диффузное рассеяние, резонансное вторичное излучение. Это привело к формированию новых понятий, способов графического представления данных процессов и их математического описания. Развитие импульсного метода радиолокации и импульсной радиотехники также оказало существенное влияние на формирование новых представлений об импульсных процессах (разворачивание исходной радиотехнической схемы), об их распространении в окружающей среде и о методах формирования, усиления, анализа в импульсных схемах.

Создание собственно радиолокационной теоретической схемы было связано с разработкой и систематизацией различных методов обнаружения «целей» и измерения их координат. Поскольку это заключалось прежде всего в выявлении движущихся «целей» на карте местности, многие понятия и представления радиолокации были заимствованы из геодезии, картографии, навигации. К данному слою теоретических схем относятся изображения направленного луча различной формы (например, многолипесткового) и способов его сканирования (слежения за «целью»), основные методы определения местоположения и так далее. Вводятся специальные понятия поверхности и линии положения, точечной, объёмной и распределённой «цели», координат (дальности, азимута и угла места), траектории и радиальной скорости «цели», эффективной площади рассеяния, метки дальности, разрешающей способности радиолокационной станции (по дальности и угловым координатам), точности отсчёта, сектора и границы обзора, телесного угла луча, и так далее. Основной функцией радиолокационной теоретической схемы является идентификация изображения на индикаторе радиолокационной станции с реальными объектами на фоне местности, выделение (обнаружение) «целей» и определение (измерение) их параметров. Для этого разрабатываются специальные индикаторные и антенные устройства, прежде всего для получения определённой формы луча и вида изображения на индикаторе, и различные методы измерения и расчёта координат «целей» (методы минимума и максимума, равносигнальный метод и другие). Одна из наиболее важных задач в радиолокации — специальное исследование ошибок измерения, возникающих под влиянием помех, и методов борьбы с ними. Для решения такого рода задач разрабатываются различные типы математических средств и соответствующие им функциональные теоретические схемы.

С развитием целого ряда классических технических наук в отношении некоторых наиболее распространённых частей технических систем (например, различного рода регуляторов) постепенно выясняется, что, во-первых, аналогичность их принципа действия независима от способа реализации и, во-вторых, тождество (и применимость) разных математических описаний данных частей сохраняется несмотря на разницу в исполнении (на электрической, гидравлической или механической основах). Это стимулирует отвлечение от конкретной формы реализации естественного процесса, протекающего в технической системе, то есть конкретного способа организации его функционирования, и акцентирует внимание на анализе обобщённой структуры технической системы независимо от деталей специфического конструктивного воплощения. Формируется новый тип теоретического исследования — междисциплинарный.

3.2. Междисциплинарный теоретический синтез. Интегрированные теоретические исследования в технике

Междисциплинарный теоретический синтез включает:

  • интегрированное теоретическое исследование (например, на основе общности математической схемы в теории автоматического регулирования);
  • комплексное теоретическое исследование, характерное, например, для системотехники.

Последнее ориентировано на общенаучные понятия и представления (прежде всего системные и кибернетические) и универсальные для определённого типа задач средства имитационного моделирования на ЭВМ.

Интегрированные теоретические исследования являются результатом обобщения и последующей интеграции частных теоретических схем различных научно-технических дисциплин, то есть разных планов исследования технических систем определённого типа на общей математической основе в некотором особом аспекте (например, устойчивости и качества систем автоматического регулирования). В отличие от них комплексные теоретические исследования и многоаспектны, и многоплановы. Они сохраняют комплексность на всех этапах исследования сложных технических систем, единство же и целостность их обеспечивается методологически.

Типичным представителем интегрированного междисциплинарного исследования является теория автоматического регулирования. «В 20–30-х годах XX века появились и получили применение системы автоматического регулирования процессов горения, регулирования температуры воды и перегрева пара, питания котлов и давления пара в котельных агрегатах, системы регулирования давления в трубопроводах, регулирования температуры в сушильных установках и доменных печах, а также системы регулирования напряжения, мощности и частоты электрических генераторов». Первоначально все они исследовались и рассчитывались по-разному. Однако постепенно формируются общие методы расчёта, анализа и синтеза следящих систем.

Ситуация, сложившаяся в теории автоматического регулирования, была сходна с той, которая сформировалась в области электродинамики во времена Фарадея и Максвелла. Последние имели дело главным образом не с первичной эмпирией, а с определённым набором частных теоретических схем, которые и были ими обобщены: Фарадей построил обобщённую поточную теоретическую схему, а Максвелл — функциональную. В период становления теории автоматического регулирования уже появились такие классические технические науки, как, например, теория механизмов и машин и теоретическая радиотехника и электротехника. Поэтому её формирование осуществлялось в двух основных направлениях: во-первых, за счёт обобщения уже выработанных в этих дисциплинах теоретических средств и способов решения типовых задач и, во-вторых, в плане развития единого математического аппарата.

Первое направление развернулось примерно в 40–50-х годах XX века, с одной стороны, на базе обобщения разработанных в теоретической радиотехнике способов анализа электрических цепей с помощью так называемых эквивалентных схем соответствующих преобразований (одновременно был обобщен на широкий класс систем автоматического регулирования критерий устойчивости Найквиста, разработанный им для исследования электронного усилителя с отрицательной обратной связью). С другой стороны, для классификации и структурного анализа систем автоматического регулирования (динамических цепей) были использованы и обобщены методы классификации и структурного анализа механизмов, выработанные в теории механизмов для исследования кинематических цепей.

Второе направление начало активно разрабатываться с 1950-х годов, когда задачами теории автоматического регулирования занялись математики, что способствовало быстрому развитию линейной теории управления. В результате были разработаны единые математические методы анализа и синтеза систем автоматического регулирования практически любого типа независимо от способа их инженерной реализации. Это привело к выделению особого звена (регулятора) механических, гидравлических, электрических и тому подобных устройств, к которым наиболее применимы данные методы, как объекта исследования теории автоматического регулирования. «По-видимому, теория автоматического регулирования — единственная область техники, целесообразность которой обусловлена не общностью решаемых проблем или машин, с которыми приходится иметь дело, а математическими методами».

Однако для обеспечения эффективного функционирования данной технической теории необходимо было ликвидировать разрыв между единым математическим описанием и разнородными поточными и структурными теоретическими схемами, к которым оно применялось. Они заимствовались из соответствующих технических наук без какой-либо перестройки. Это стимулировало развитие особых структурных схем, обобщённых по отношению к частным схемам теории механизмов, теоретической радиотехники и электротехники, гидравлики и так далее. Однако первоначально все однородные звенья просто сводились к эквивалентным электрическим схемам, на которых и производились основные расчёты. В обобщённых же структурных схемах теории автоматического регулирования давалось единообразное описание систем автоматического регулирования независимо от конкретного конструктивного воплощения и типа протекающего в них естественного процесса — гидравлического, электрического, механического или пневматического.

Такой метод структурных преобразований схем автоматических систем и адекватный им математический аппарат — алгебра структурных преобразований — был разработан академиком Б. Н. Петровым. В своей работе 1945 года «О построении и преобразовании структурных схем» он пишет: «При анализе и синтезе различных автоматических систем (регулирования, управления, следящих, телемеханических, и так далее), в особенности, когда рассматриваются сложные системы, большое значение имеет ясное представление об их структуре, динамических свойствах отдельных элементов и их взаимодействия… Однако, насколько нам известно, не существует методики построения достаточно удобных и наглядных структурных схем, которые не только фиксировали бы наличие отдельных элементов в системе и связей между ними, но отображали бы динамические свойства этих элементов и характер воздействия их друг на друга. В настоящей работе делается попытка найти способ построения подобных схем… Структурные схемы способствуют наглядному представлению о характере и структуре системы, облегчают анализ сложных систем и сравнение различных систем и вариантов их между собой, дают возможность произвести качественную оценку системы — установить наличие жёстких и гибких обратных связей и других воздействий в системе, установить астатичность или наличие статизма системы и, кроме того, позволяют провести строгую и обоснованную классификацию автоматических систем».

Таким образом, одноаспектные теоретические исследования в естественных науках основываются на едином способе построения функциональных и поточных теоретических схем для различных реальных объектов, включённых в эмпирический базис естественнонаучной теории. Одноплановые теоретические исследования в классических технических науках используют множество поточных и функциональных схем относительно единого объекта изучения — однородной технической системы. Междисциплинарное же интегрированное исследование в теории автоматического регулирования, опираясь на разнообразные поточные схемы разных технических наук, которые описывают в определённых планах по существу разнородную техническую систему, имеет единый математический аппарат и единообразный способ структурного представления.

Развитие комплексного исследования также ориентировано на задачу синтеза используемых в нём теорий, но в несколько ином плане, нежели в интегрированном междисциплинарном исследовании, а именно:

  • по псевдоклассическому образцу;
  • на методической основе;
  • в виде комплексного теоретического исследования.

Даже при формировании новых технических теорий по псевдоклассическому образцу, то есть с преимущественной ориентацией на определённую базовую естественнонаучную дисциплину, они испытывают сильное влияние неклассических методов образования и организации теоретических исследований.

Например, физика горных пород, которая первоначально формировалась именно в последние десятилетия как прикладной раздел физики твёрдого тела, в действительности базируется на ряде фундаментальных наук (физике, химии, геологии, минералогии, петрографии, механике сплошных сред и так далее) и отличается комплексным подходом к изучению свойств и процессов в горных породах и массивах, практической направленностью на создание эффективных способов ведения горных работ, разработку новых решений актуальных задач горного производства. «Горная наука включает в себя множество разнообразнейших задач, которые, как правило, находятся в сложной взаимной связи, требующей совокупного и комплексного их решения… Осуществление указанных задач возможно только на базе широких теоретических исследований, экспериментов в лабораторных и натурных условиях и всемерного привлечения в горную науку и горное производство достижений математики, физики, химии и смежных отраслей техники и промышленности». Ещё одним важным моментом нетрадиционности физики горных пород является её ориентация на учёт фактора окружающей среды, проектирования системы «человек-машина-природа», необходимость которого диктуется не только появлением нового стиля мышления, но и теми практическими задачами, которые вынуждена решать данная научно-техническая дисциплина.

Современная горнодобывающая промышленность занимает одно из ключевых мест в общественном производстве и оказывает наиболее интенсивное воздействие на природную среду, поэтому необходимо уже на стадии разработки и даже научного исследования учитывать возможные отрицательные воздействия на окружающую среду. В то же время физика горных пород стремится к созданию единого теоретического исследования по псевдоклассическому образцу. «Можно представить себе, что новая отрасль знаний — «физика горных пород» — должна включать сведения о свойствах горных пород применительно ко всем главным разделам современной общей физики»».. Однако по своему происхождению и способам решения задач она несомненно является комплексной дисциплиной. «По методам исследования она близка к физике твёрдого тела, из которой заимствуются математический аппарат и экспериментальные методы; по объекту исследования — к геологическим наукам, изучающим горные породы и минералы; по направленности исследования — к горной науке… В настоящее время выдвигаются два основных идеала построения ФГП. Согласно первому она должна ориентироваться главным образом на физику твёрдого тела, рассматривая любые процессы горного производства как физическое перемещение. Однако в этом случае теряются важные для горного производства экономические, экологические и другие аспекты. В ФГП ставится задача, которая раньше, во всяком случае на теоретическом уровне, не осмысливалась, а именно объединения, а затем и теоретического синтеза «частичных» представлений, взятых из различных дисциплин, для решения комплексных научно-технических проблем. Получение такого синтетического представления объекта исследования невозможно только на базе какой-либо одной научной дисциплины или теории. Изучаемые ФГП объекты значительно разнообразнее объектов физики твёрдого тела, зависят от большего количества сложных факторов… Для ФГП характерен комплексный, системный подход к изучению свойств и процессов в горных породах и массивах, практическая направленность на создание эффективных способов ведения горных работ, на разработку новых проектных решений актуальных задач горного производства».

При формировании новых научно-технических дисциплин на методической основе цель создания единого (и даже комплексного) теоретического исследования в принципе не ставится. У такого рода научных направлений «нетрадиционный, как бы ускользающий объект исследования, благодаря чему создаётся впечатление, что в них исследуются не столько закономерности каких-то явлений, сколько методы решения определённого класса задач. Такое превращение методов в первичный объект исследования безусловно резко отличает их от традиционных научных направлений». Однако это не означает, что в данном случае не проводятся теоретические исследования. Совокупность научных методов и практических приёмов решения разнообразных проблем (в определённой проблемной области) консолидируется в рамках единого подхода к их решению на общей методической основе, но без создания единого математического аппарата и обобщающих теоретических схем. Функцию последних выполняют, как правило, системные (или какие-либо другие общенаучные, например кибернетические) представления и понятия, постоянная отнесённость к которым и гарантирует целостность и специфичность теоретического исследования, проводимого каждый раз новыми и новыми теоретическими средствами.

Именно к такому роду дисциплин относится системный анализ, который характеризуется неспецифическими аппаратом и методами (как правило, заимствованными из других наук), а особыми принципами и подходом к организации теоретического исследования слабоструктурированных проблем, возникающих прежде всего в сфере управленческой деятельности. «Системный анализ — это совокупность научных методов и практических приёмов решения разнообразных проблем, возникающих в целенаправленной деятельности (в частности, в условиях неопределённости), на основе системного подхода… Системный анализ главным образом характеризуется не специфическим научным аппаратом, а упорядоченным, логически обоснованным подходом к исследованию проблем и использованию существующих методов их решения, которые могут быть разработаны в рамках других наук.

Появление системного анализа знаменует переход от решения хорошо структурированных, формализуемых проблем (когда чётко определены цели, пути их реализации и критерии) к решению проблем слабо структурированных (состав элементов и их взаимосвязи установлены только частично, возникают такие проблемы, как правило, в условиях неопределённости и содержат неформализуемые элементы, непереводимые на язык математики)… В отличие от ряда других научных дисциплин (экономических, технических и других), занимающихся поиском решений на основе изучения отдельных сторон функционирования систем, системный анализ осуществляет комплексную оценку, совместно учитывающую политические, социально-экономические, технические, юридические и другие факторы, влияющие на решение проблемы. Системный анализ в основном направлен на выработку конкретных рекомендаций, используя при этом достижения других теоретических наук в прикладных целях.

Руководящим методологическим принципом системного анализа является требование «всестороннего» учёта всех (существенных) обстоятельств, то есть любая сложная система рассматривается как «полная система» имеющих к ней отношение факторов. Под системным анализом понимается методика и техника решения проблем построения и управления промышленными, транспортными, оборонными и другими системами. Он связан преимущественно с исследованием человеческих организаций, в то время как системотехника — преимущественно с системами оборудования, даже если речь идёт о человеко-машинных системах.

В словах «системный анализ» подчёркивается преимущественно исследовательская ориентация, но это не значит, что в самом анализе не реализуется проектная установка. Анализ здесь характеризуется особыми принципами и подходом к организации теоретического исследования слабоструктурированных проблем, возникающих, прежде всего, в сфере управленческой деятельности. Одновременно его основой является так называемое организационное проектирование, которое связано с совершенствованием, развитием, перестройкой организационных систем управления, построением структур управления организациями, с проектированием организационных нововведений и тому подобное. «Исходные позиции понимания системного анализа… связаны с разведением двух различных типов знания: знания, которое относится к уровню специально-научной теории процессов управления и организации, протекающих в сложных целенаправленных системах; и знания, выступающего на уровне методических указании, нормативных предписании, оценок, непосредственная теоретическая концептуализация которых невозможна». Именно к последнему типу знания и дисциплинам, организованным на методической основе, и относится системный анализ.

В настоящее время существует достаточно обширная литература, посвящённая описанию средств и методов системного анализа и его применений в различных областях. Одни авторы делают упор на математические методы системного анализа, то есть на описание сложных систем с помощью формальных средств. Другие же во главу угла ставят содержательную логику системного анализа, подчёркивая его неразрывную связь с процессом принятия решения. Однако, к какой бы точке зрения ни тяготели системные аналитики, их деятельность «можно охарактеризовать как исследование, которое помогает тому, кто принимает решение, выбрать направление действий путём системного изучения своих собственных целей, количественного сравнения затрат, эффективности и степени риска, связанных с осуществлением альтернатив политики или стратегии, необходимых для достижения поставленных целей, а также путём формирования дополнительных альтернатив, если изученные альтернативы окажутся недостаточными».

В основе системного анализа в любом его варианте обязательно лежит задача формализации. Однако системный анализ принципиально отличается от других подходов к формализации управленческих решений. Прежде всего, системный анализ имеет дело со слабо структурированными проблемами, содержащими неформализуемые или трудно формализуемые элементы. В процессе системного анализа при оценке альтернативных направлений действий проблема рассматривается с позиций длительной перспективы. Особое внимание в ней уделяется факторам неопределённости, их оценке и учету при выборе наиболее предпочтительных решений и возможных альтернатив. В нём также признается принципиальное значение организационных и субъективных факторов в процессе принятия решений и в соответствии с этим разрабатываются процедуры широкого использования качественных суждений в анализе и согласовании различных точек зрения.

Центральным понятием системного анализа является понятие неопределённости. Повышенное внимание специалистов по системному анализу к факторам неопределённости (риска), вытекает из распространения его на область перспективных, ещё не апробированных проблем. В системном анализе различаются неопределённости различных видов: техническая, если речь идёт о поисковых научных исследованиях; социально-политическая обстановка; экономические оценки затрат на будущие мероприятия; связанная с неоднозначностью поведения людей; статистическая и так далее.

Цель системного анализа — путём рассмотрения каждого элемента системы, функционирующего в условиях неопределённости, добиться того, чтобы, в конечном счёте, система в целом могла выполнить свою задачу в рамках её системного окружения при минимальном расходе ресурсов и с минимальной (насколько это возможно) неопределённостью.

На разных стадиях системного анализа, который осуществляется, начиная от интуитивной и лишь в общих чертах сформулированной постановки проблемы до выбора оптимальных решений с помощью строгих математических методов, используются различные методы. Для упорядочения и осмысления сферы применимости этих методов необходимы определение и описание логической последовательности этапов системного анализа, конечная цель которой — уменьшение (преодоление) неопределённости слабоструктурированной проблемы.

Выделяются следующие этапы системного анализа.

1. Постановка проблемы и формулирование общей цели и критерия системы:

Первостепенное значение имеет вопрос о том, существует ли вообще данная проблема, поскольку на практике нередко прилагают большие усилия к решению несуществующих проблем. Правильное и точное формулирование действительной проблемы является первым и необходимым моментом системного анализа в любой области. Удачная формулировка проблемы составляет половину её решения. Сложную логическую процедуру представляет собой также формулирование общей цели и разработка критерия эффективности системы. Это требует глубокого знания специфики экономики и технологии исследуемой системы. Общая цель и критерий системы обязательно формулируются исходя из анализа её взаимоотношений с определённой внешней средой. Именно внешние связи системы специфицируют её как некое целое.

2. Анализ структуры проблемы и декомпозиция цели:

Чтобы построить систему, проблему следует разложить на комплекс чётко сформулированных задач. При создании большой системы задачи образуют иерархию подсистем. Проявление произвола в выделении подсистем неизбежно ведёт к неудаче. Каждая такая подсистема должна обладать функциональной спецификой целого, то есть системы. Разбиение системы на подсистемы является нетривиальной задачей. Если в технических системах состав подсистем, как правило, более или менее ясен, то в системах экономико-организационного управления структурные соотношения скрыты и не лежат на поверхности. Выявление этих подсистем и качестве единиц системы и является одной из наиболее важных задач системного анализа. В результате построения дерева целей той или иной системы для каждой выделенной единицы системы определяется соответствующая подцель системы. Для сложных систем управленческой деятельности общая цель оказывается настолько далека от конкретных средств её достижения, что выбор решения требует трудоёмкой работы по увязке цели со средствами её реализации. Эта задача и выполняется путём декомпозиции общей цели системы.

3. Выявление ресурсов, оценка целей и средств:

Этот этап включает в себя оценку существующей технологии и мощностей, состояния ресурсов, реализуемых и запланированных проектов, возможностей взаимодействия с другими системами и так далее. На основе такой оценки соотношения целей и средств их реализации строится функциональная структура каждой предельной подсистемы и осуществляется композиция их целей, что обязательно предполагает её отнесение к возможной реализации самой системы, но ещё не означает выбора конкретного определённого наполнения её функциональной структуры.

4. Генерация и выбор вариантов («реализация»):

Несоответствие потребностей и средств их удовлетворения делает реализацию сложной задачей. Цель неотделима от средств их достижения. Поэтому центральным моментом системного анализа является отсечение тех целей, которые признаны малозначащими или не имеющими средств для их достижения, а также отбор конкретных вариантов достижения взаимосвязанного комплекса наиболее важных целей (то есть вариантов реализации функциональной структуры системы). В системном анализе технических систем относительно небольшого масштаба генерация вариантов функциональной структуры и отбор альтернатив является самой важной задачей. В системах же управленческой деятельности экономико-организационного типа более актуальной задачей считается усечение дерева целей и выбор взаимосвязанного комплекса вариантов их функциональной структуры. Это приобретает особое значение в связи с тем, что научно-технический прогресс и изменения условий среды порождают огромное количество вариантов путей для достижения экономических целей. В ряде случаев целью системного анализа является создание или перепроектирование организации (органа управления), необходимой для реализации целей системы.

5. «Диагноз» системы, прогноз и анализ будущих условий:

Этот этап предполагает анализ процессов функционирования и развития системы. Он является одновременно и заключительным, и начальным этапом всякого системного анализа, поскольку невозможно сформулировать проблему без изучения прошлых и возможных будущих состояний системы. В то же время детальный анализ процессов её развития и функционирования можно проводить только после того, как исследована и разработана внутренняя структура системы и намечены пути её реализации. Системный анализ учитывает перспективу развития системы. Поэтому для его проведения необходима информация о возможных будущих ситуациях, ресурсах, научно-технических открытиях и изобретениях, которые могут коренным образом преобразовать систему и протекающие в ней процессы, а также о будущих изменениях социальных ценностей, которые окажут существенное влияние на систему и на трансформацию её целей и критериев. Прогнозирование будущих состояний системы — одна из наиболее важных задач системного анализа. Однако осуществлена она может быть только на основе анализа прошлого и нынешнего состояния данной системы. Задачей системного анализа большей частью является не столько создание нового органа управления, сколько усовершенствование, рационализация существующих органов. В этих случаях возникает необходимость в диагностическом анализе этих органов управления. Данный анализ направлен на выявление их возможностей, недостатков, узких мест в сборе, переработке информации и принятии решений с целью устранения этих недостатков. Такой анализ в результате даёт возможность также построить обоснованный организационный план внедрения вновь спроектированной системы или предложить комплексную программу развития существующей системы, которая распределяется во времени, закрепляется за различными исполнителями и так далее.

В рамках системного анализа разработаны специфические методы исследования сложных систем, к которым относятся, например, методы сценариев, экспертных оценок, «Дельфи», «дерева целей». Однако в большинстве случаев методы, используемые в системном анализе, были разработаны до его появления и только получили в нём переосмысление, иногда переориентацию и переоценку сферы применения. К ним относятся, например, матричные, сетевые, морфологические, статистические и другие методы. Системный же анализ «является прежде всего каркасом, объединяющим все необходимые научные знания, методы и действия для решения сложных проблем».

Основные методы системного анализа можно классифицировать по его этапам (не претендуя на полноту их описания). Для первого этапа наиболее подходящим считается метод сценариев, представляющий собой средство первичного упорядочения проблемы, получения и сбора информации о её взаимосвязях с другими проблемами и о возможных и вероятных направлениях будущего развития системы. В плане сценариев намечаются области, которые не должны быть упущены при постановке и решении проблемы, то есть в нём даётся краткое описание обстановки и наиболее важных факторов, оказывающих влияние на данную систему. Кроме того, в нём рассматривается вероятный ход событий во времени, начиная от сложившейся к настоящему моменту ситуации или от какого-либо значительного события в будущем, которое может оказать влияние на постановку и решение проблемы. Эта задача решается на основе анализа прошлого хода событий. Сценарий — это предсказание гипотетического хода событий и потенциальных влияний на его изменение в нужном для решения проблемы направлении. Сценарий не является прогнозом, его цель лишь предварительно наметить внешние контуры проблемы, очертить её системное окружение с тем, чтобы на последующих этапах системного анализа приступить к их детальному исследованию.

На втором этапе должно быть построено иерархическое представление о системе, для чего могут быть использованы матричные методы и метод построения «дерева целей». Например, «дерево целей» представляет собой связанные графы, вершины которых интегрируются как цели, а ребра — связи между ними. «Дерево целей» строится в следующей последовательности. Сначала устанавливаются цели исследуемых систем и определяются требования и технические возможности для их развития в диапазоне от предельных единиц до системы в целом. Затем устанавливаются критерии и соответствующие весовые коэффициенты для проведения оценки единиц на каждом уровне иерархии. Наконец, вводятся весовые коэффициенты для каждой подсистемы. Таким образом, различным целям и подцелям придаются определённые числовые значения. «Дерево целей», как правило, составляется на основе сценария и представляет собой иерархическую систему, на разных уровнях которой с обстоятельностью, определяемой значимостью уровня иерархии, формируются задачи, требующие решения. Такое описание может быть соотнесено с матричным представлением системы. Причём каждая ячейка полученной матрицы должна быть описана в виде определённой функциональной структуры.

Такое описание даётся на третьем этапе. Наиболее подходящим методом в данном случае является метод исследования операций. Каждая предельная подсистема разбивается на ряд взаимосвязанных операций, образующих функциональную структуру системы. Причём может быть выбрано несколько таких структур. Впоследствии одна из таких структур, наиболее подходящая для реализации, может быть алгоритмически описана, что позволит выделить определённые элементы, обеспечивающие выполнение каждой операции (или нескольких из них).

На четвёртом этапе должна быть определена область реализации системы. Для этой цели может быть использован метод морфологического анализа, который позволяет изучить все возможные способы реализации данной функциональной структуры, то есть соотнесение её с классом конкретных структур. При этом считается, что все решения могут быть так или иначе реализованы. Таким образом, морфологический анализ направлен на выявление и классификацию всех возможных реализаций (с выбором наиболее подходящей из них), предназначенных для выполнения какой-либо специфической функции, то есть всех возможных средств для достижения заданной цели. На основе оценки эффективности различных вариантов реализации функций системы выбирается один такой вариант.

На пятом и последнем этапе необходимо возвратиться к исходной очке анализа, но уже на новом, более детальном уровне проработки проблемы, когда уже известны в деталях все составные элементы системы и способ её реализации. В этом случае используются различные диагностические методы, позволяющие исследовать существующую систему, на базе которой создаётся новая система; различные методы прогнозирования развития этой системы в разных условиях, а также методы, позволяющие составить подробный план работ по реализации проекта во времени. К ним относятся прежде всего сетевые методы.

3.3. Комплексное теоретическое исследование техники

При формировании технической теории по типу комплексного теоретического исследования, как правило, первоначально имеет место некоторый достаточно общий конкретно-методологический подход с универсальной сферой применения, которая постепенно специфицируется относительно определённой проблемной области (комплексной научно-технической проблемы). Исходным пунктом в данном случае является широкое научное движение, в результате которого возможно появление новой научно-технической дисциплины. Для решения таких проблем привлекаются в принципе любые теории, знания и методы, над которыми надстраивается слой обобщающих теоретических схем и соответствующего математического и концептуального аппарата, являющихся проблемно-ориентированными. При этом отдельные теоретические средства, методы и дисциплины, включённые в такое комплексное исследование, хотя и соответствующим образом перерабатываются, переосмысляются и испытывают обратное воздействие со стороны новой дисциплины, в то же время продолжают сохранять самостоятельность и развиваются (вне данной комплексной проблемы) обособленно. К данному типу дисциплин относится, например, системотехника.

Для того чтобы лучше понять значение системотехники и её отличие от традиционного научно-технического знания, необходимо перечислить задачи, которые в ней решаются:

  • подготовка информации для принятия руководством научно обоснованных решений по управлению процессом создания сложной системы;
  • формулировка общей программы разработок как основы для взаимной увязки проектов отдельных подсистем;
  • стыковка проектных задач и координация специалистов, решающих эти задачи;
  • обеспечение интеграции системы в единое целое;
  • обеспечение в процессе разработки сложной системы наилучшего использования ресурсов при одновременном достижении проектных целей возможно более эффективным способом;
  • согласование планов частных проектов с общим направлением работы, выявление существующих и прогнозирование будущих потребностей;
  • внедрение в практику проектирования последних научных и инженерных достижений.

Подготовка информации для принятия руководством решений в процессе проектирования сложной системы не является сегодня такой тривиальной задачей, как это может показаться на первый взгляд. Напротив, для её решения необходимо проводить особые исследования и изыскания, ориентируясь на достаточно широкую предметную область и имея в виду все возможные (настоящие и будущие) проекты данной системы. При этом выбор даже общего направления работ оказывается не таким уж простым. Действительно, в каком направлении вести разработки, какие проектные решения предпочесть — решение этих и других подобных задач требует тщательной научной подготовки, поскольку от этого может зависеть успех всего процесса проектирования. Исправление неверно принятого на ранних стадиях решения требует гораздо больших затрат, чем расходы на содержание специальных системотехнических служб. Отсюда вытекает задача формулирования общей программы разработки, опирающейся на прогноз развития системы. Такая общая программа разработки необходима, кроме того, для взаимной увязки проектов отдельных подсистем в процессе создания сложной системы. Она позволяет подготовить мощный задел для разработки этих проектов.

Необходимость в системотехнике впервые появилась тогда, когда выяснилось, что отдельные, даже хорошо работающие компоненты не обязательно составляют хорошо функционирующую систему. В сложной системе часто оказывается, что даже если отдельные компоненты удовлетворяют всем необходимым требованиям, система как целое не будет работать. Для иллюстрации этой ситуации чаще всего приводят пример проектирования самолёта или ракеты специалистами разного профиля. Если рассматривать данную систему с точки зрения специалиста по двигателям, то, например, для электронного оборудования в ней совсем не останется места. Проектировщик фюзеляжа будет заботиться только об оптимальной конфигурации самолёта, пренебрегая, скажем, удобством расположения радиолокационных антенн. Специалист по радиоэлектронике нашпигует его всевозможными устройствами, не заботясь о предельном весе и конфигурации самолёта. Инженер-психолог потребует массу удобств для летчика, совершенно не считаясь со сметой. Бухгалтер сведет до минимума затраты и … самолёт никогда не поднимется в воздух. Вот как раз для того, чтобы связать различные частные оптимумы, цели и критерии отдельных специалистов, и нужен инженер-системотехник.

На практике, конечно, стыковка отдельных проектных задач и координация специалистов, решающих эти задачи, может быть решена и упрощённо — с помощью принятия волевых решений руководителем проекта. Однако для достаточно сложных систем эти решения должны быть подкреплены серьёзным обоснованием. Дать такое обоснование сам руководитель не может, так как один человек не в состоянии одинаково хорошо разбираться и в вопросах электроники, и в экономических проблемах и так далее. Для управления процессом создания системы необходим её постоянный диагностический анализ, направленный на выявление резервов, узких мест и подготовку решений с целью устранения выявившихся недостатков. А для этого в свою очередь каждый руководитель достаточно крупного проекта вынужден создавать особый научно-координационный центр — бригаду экспертов-системотехников. Она должна помочь руководству достичь согласия по всей программе работ, включающей разные проекты, на основе периодической оценки всех частных проектов, на какой стадии выполнения они бы ни находились.

Поскольку одной из задач системотехники является координация всех работ, начиная от исследования и заканчивая эксплуатацией системы в целом, идеальный инженер-системотехник должен сочетать в себе талант учёного с искусством конструктора и деловыми качествами администратора. Он должен уметь объединить специалистов различных профилей для совместной работы. А для этого ему необходимо достаточно глубоко разбираться во многих вопросах, чтобы понимать специалистов. Если имеющихся у него знаний недостаточно, то системотехник должен в короткое время изучить предмет и ориентироваться в нём наравне со специалистами. Однако в отличие от узких специалистов, занятых деталями, он отвечает за общую постановку проблемы и обобщённую оценку результатов работы и в этом смысле является универсалистом. В то же время он не должен быть дилетантом.

Комплексное теоретическое исследование в системотехнике включает в себя ряд одноаспектных и одноплановых теоретических исследований и характеризуется множеством частичных идеальных объектов. Средства и способы исследования выбираются из различных научных дисциплин или разрабатываются специально применительно к каждой конкретной проблеме. В комплексном теоретическом исследовании должны быть учтены все эти частичные представления, частные теоретические схемы. Они должны быть обобщены и переформулированы в своего рода частные теории систем, а их абстрактные объекты представлены как особые специальные системы, то есть переведены в системный модус. Эти специальные системы могут быть далее синтезированы в различные (в зависимости от решаемой задачи) комплексные модели сложной технической системы. Пространство всех возможных (в том числе и гипотетических) комплексных системных моделей (вместе с совокупностью специальных систем) и составляет фундаментальную теоретическую схему системотехники, являющуюся, с одной стороны, обобщением частных теоретических схем, используемых в ней теорий, а с другой — конкретизацией системной картины мира, развиваемой в системном подходе и общей теории систем.

Системная онтология (или системная картина) мира выполняет по отношению к системотехнике функцию методологического ориентира в выборе теоретических средств и методов решения комплексных научно-технических задач, даёт возможность транслировать их из смежных дисциплин или методологической сферы. Она задаёт также методологический принцип конструирования комплексных системных моделей сложных технических систем, то есть позволяет экстраполировать накопленный в системотехнике опыт на будущие проектные ситуации. Комплексные модели сложной технической системы, полученные на теоретическом уровне, могут быть использованы как исходный пункт проектирования новых систем. Таким образом, комплексное теоретическое исследование в системотехнике является одновременно и теоретическим и прикладным, так как оно ориентировано на инженерную практику. Концептуальный каркас системотехнической теории составляют системные представления и понятия, специфицированные под соответствующий класс комплексных научно-технических задач. В него включаются также определённым образом переосмысленные и сгруппированные понятия тех научных дисциплин, которые используются для решения системотехнических проблем.

Математический аппарат в системотехнике выполняет несколько функций. Он предназначен как для инженерных расчетов, так и для анализа и синтеза сложных систем, точнее их теоретических схем, то есть различных дедуктивных преобразований абстрактных объектов, что обеспечивает саморазвитие системотехнической теории и даёт возможность получения новых знаний без обращения к инженерной практике. Причём применение математики даже только для инженерных расчетов требует уже определённой идеализации сложной технической системы. В системотехнике используется самый широкий спектр математических дисциплин и, прежде всего, теорий массового обслуживания, вероятностей, конечных автоматов, исследования операций и соответствующие разделы вычислительной математики.

В системотехнической теории, как и в любой технической теории, на материале одной и той же сложной технической системы строится несколько оперативных полей, которым соответствуют различные типы теоретических схем, обладающих, однако, рядом существенных особенностей.

В сфере практической системотехнической деятельности решение задачи создания новой системы заключается в сочетании представлений различных научных дисциплин с инженерными представлениями без сведения их к единому теоретическому изображению. Это позволяет отдельному исследователю или разработчику при решении частной системотехнической задачи строить каждый раз заново непохожие друг на друга схемы сложных технических систем. При этом практически невозможно воспроизвести процедуру их построения, поскольку она находится в сфере интуиции проектировщика. Схемы такого рода фактически являются синкретическим соединением объектных представлений различных теорий (элементов электрических и кинематических схем, структурных схем теории автоматического регулирования и других дисциплин) и представлений технической системы в инженерной деятельности: элементов разных схем изготовления, внедрения, функционирования и так далее. Способ их соединения зависит от каждой конкретной задачи.

На одной общей структурной теоретической схеме, таким образом, присутствуют элементы кинематических, электрических и электронных схем, блок-схем и монтажных схем, на основе которых рассчитываются и собираются механические, электрические и другие блоки. Существенным недостатком такого способа соединения представлений сложной технической системы является качественная неоднородность полученной теоретической схемы, что обусловливает невозможность имитировать на ней функционирование системы в целом, усложняет инженерные расчёты, проектные решения, разработку технологии, отладку и так далее. Использование синкретических схем фактически не даёт решения проблемы целостного описания сложной технической системы в теоретической сфере. Чтобы решить эту задачу, необходимо представить данную синкретическую схему в виде системы однородных описаний (для разных режимов функционирования).

В системотехнике используется два типа однородных теоретических схем — абстрактные поточные (алгоритмические) схемы и абстрактные структурные схемы. Абстрактные поточные (алгоритмические) схемы были обобщены в кибернетике и стали рассматриваться в плане преобразования вещества, энергии и информации. Они фактически являются идеализированным представлением функционирования любой системы и исходным пунктом программирования на ЭВМ. Это обеспечивает связь с соответствующими функциональными схемами, зафиксированными в теории программирования. Абстрактные структурные схемы на основе обобщения различного рода структурных схем (теории автоматического регулирования, теории сетей связи, теории синтеза релейно-контактных схем и логических схем вычислительных машин, а также такого рода схем, применяемых в социально-экономических исследованиях) развиваются в так называемый структурный анализ сложных систем.

Такие унифицированные абстрактные структурные схемы позволяют «изучать объект в наиболее чистом виде». «Так, при структурных исследованиях систем автоматического регулирования в них не остаётся иного содержания, кроме связей, их числа, дифференциального порядка, знака и конфигурации… уделяя особое внимание выявлению взаимных связей между элементами системы и, тем самым, выдвигая на первое место структуру системы, а не состав её отдельных компонентов, получаем возможность единообразно исследовать различные по своей природе системы». Дальнейшая манипуляция с моделью может быть осуществлена с помощью адекватных решаемой задаче алгоритмических языков имитационного моделирования. В них на основе данной структурной схемы составляется соответствующая поточная (алгоритмическая) схема функционирования модели (системы). Последняя автоматически переводится в машинный код и в свою очередь соответствует определённой функциональной (математической) схеме.

Основная проблема, стоящая перед теоретической системотехникой, заключается в переходе от синкретического описания сложной инженерной задачи с помощью теоретических средств и представлений различных научных дисциплин к однородной абстрактной теоретической схеме. Это необходимо в свою очередь для того, чтобы в системотехнике можно было применить соответствующий математический аппарат, для чего и должен быть выработан способ единообразного описания качественно разнородных элементов. Именно поэтому в теоретической системотехнике структурные и поточные теоретические схемы принципиально формируются как предельно абстрактные. В классической технической науке они являются гораздо более специализированными и частными, причём в первую очередь это относится к структурным схемам.

Функциональные схемы в системотехнике могут быть двух типов. К первому относятся функциональные схемы, развиваемые в структурном анализе и направленные на исследование структуры сложных систем. Они соответствуют абстрактным структурным схемам системотехники. Ко второму типу принадлежат функциональные схемы, разработанные в теоретическом программировании, которые адекватны абстрактным поточным (алгоритмическим) схемам. В системотехнике эти два типа теоретических схем совмещаются на одном уровне абстракции, но в разных планах. Это происходит, например, в алгоритмических языках имитационного моделирования, в которых поточная (алгоритмическая) схема накладывается на структурную (статическую) схему моделируемой системы. Причём правила преобразования структурных и поточных схем в функциональные (математические) схемы формализованы и само такое преобразование осуществляется автоматически на ЭВМ.

Современная техническая теория в отличие от классической технической теории ориентируется не на какую-либо одну базовую естественную науку, из которой черпаются естественнонаучные представления, методы и средства математики, а на общенаучные (методологические) представления и понятия (системные, кибернетические и другие) и «универсальные» средства имитационного моделирования на ЭВМ соответственно. Поэтому процесс построения современной технической теории неизбежно ускоряется, так как он связан с адаптацией этих уже развитых универсальных» представлений и схем.

В качестве эмпирического базиса современной технической теории выступает научно-методический слой: прецеденты, рецептурные знания, списочные структуры. Прецеденты — это описания, фиксирующие отдельные акты деятельности, которые выступают как образцовые, то есть как предписания к ещё неосуществлённой деятельности аналогичного типа. Рецептурные знания — это различные методические рекомендации, дизайн-программы, план-карты, типовые расчёты, руководящие стандарты и рабочие инструкции. Списочные структуры — это справочники, каталоги, перечни и другие структуры, которые фиксируют знания, относящиеся к объекту исследования и проектирования.

Однако все эти три элемента эмпирического базиса современной технической теории являются не просто готовыми рецептами предстоящей инженерной деятельности, как в традиционной инженерной практике, а одновременно и теоретико-методологической рефлексией, самоопределением современной инженерной деятельности и проектирования. В отличие от традиционной инженерной деятельности в современных научно-технических дисциплинах рецептурное знание уже не лежит вне теории, а, напротив, вплетено в саму ткань комплексного теоретического исследования. Но эта ткань не является такой теоретически однородной и чётко иерархически структурированной, как в классических естественных и технических науках, напоминая скорее лоскутное одеяло, где сшиты вместе разнородные элементы теоретических представлений различных научных дисциплин и рецептурно-технологические схемы практической деятельности. Кроме того, сами рецептурно-технологическое описание и предписание к осуществлению исследовательской и проектной деятельности становятся особым идеализированным представлением процедур этой деятельности.

Например, при имитационном моделировании на ЭВМ или автоматизации инженерных расчетов они должны быть зафиксированы в виде обобщённого алгоритма или программы. Представители классических технических наук под влиянием неклассического образца построения научно-технического знания также вынуждены сегодня специально заниматься анализом собственной исследовательской и проектной деятельности, прежде всего при автоматизации проектирования и конструирования. Для этого требуется предварительное описание обобщённых алгоритмов инженерных расчетов и процедур анализа и синтеза схем (например, кинематических схем механизмов или электрических схем электротехнических устройств). Записанные на каком-либо языке программирования, эти процедуры исследовательской и проектной деятельности могут быть выполнены автоматически на ЭВМ.

Основные особенности строения и функционирования теоретических исследований в современных научно-технических дисциплина в отличие от классической технической теории рассмотрены в следующем разделе.

3.4. Различия современных и классических теоретических исследований в научно-технических дисциплинах

Структурные и поточные схемы современной технической теории являются более общими и формируются, с одной стороны, как конкретизация «универсальной» теоретической схемы, например системной онтологии, принципы построения которой развиваются в широкой методологической сфере, а с другой — как обобщение соответствующих теоретических схем классических технических теорий.

Обобщённая структурная схема современной технической теории представляет собой предельно абстрактное изображение статической структуры сложной технической системы, абстрагированное от качественной определённости её конструктивных элементов. На ней прежде всего анализируются конфигурация системы, степень связанности и надёжности её элементов безотносительно к их конкретному наполнению.

Обобщённая поточная схема современной технической теории есть обобщённое алгоритмическое описание функционирования системы, то есть последовательности преобразований потоков субстанций (вещества, энергии, информации) независимо от его реализации. Она является результатом абстрагирования от качественной определённости протекающего через систему и преобразуемого ей естественного (в частности, физического) процесса.

Каждая из этих обобщённых теоретических схем (структурных и поточных) имеет свои специфические способы математического описания. Другими словами, в современной технической теории развиваются функциональные схемы, во-первых, структурные и, во-вторых, поточные теоретические схемы (в отличие от классической технической теории, где математическое описание ставится в соответствие прежде всего поточной схеме). Кроме того, в ней используется, как правило, несколько стандартных математических (функциональных) схем, приспособленных к решению разных классов инженерных задач. Это обусловливает различия в их функционировании.

В классической технической теории, например теории электрических цепей, сначала строится структурная схема устройства, которая по определённым правилам соответствия преобразуется в поточную, а затем в эквивалентную ей функциональную, скажем, операторную схему. На основе последней составляются системы уравнений, в которые могут быть подставлены конкретные значения исследуемых параметров. Решение этих систем уравнений позволяет определить либо неизвестные параметры некоторых структурных элементов (электрической цепи) при известных характеристиках протекающего через них естественного процесса (то есть электрического тока), либо, наоборот, неизвестные характеристики электрического тока при известных параметрах элементов.

В современной технической теории сложность инженерных объектов обусловливает необходимость теоретического исследования и математического описания не только процесса их функционирования, но и их структурных схем. Поэтому в ней решаются математические задачи двух типов: во-первых, определение ранга, связности, надёжности и других элементов и структуры системы и, во-вторых, расчёты параметров её функционирования.

Поскольку современная техническая теория имеет дело с качественно новым деятельностным объектом исследования и проектирования, то возникает проблема системно-деятельностного его представления, создания особой системно-деятельностной онтологии. В рамках каждой отдельно взятой такого рода теории это выражается в необходимости сопоставления обобщённых структурной и поточной схем одной и той же системы, её синкретического структурно-процессуального описания. Например, во многих алгоритмических языках имитационного моделирования статическая структура системы совмещается с алгоритмом её функционирования (на единой схеме), который рассматривается как последовательность операций, выполняемых элементами статической структуры.

Наконец, в силу комплексного характера теоретического исследования в современных научно-технических дисциплинах их функционирование заключается не только в том, чтобы выявить различные аспекты и режимы работы исследуемой (проектируемой) системы, подлежащие обобщённому описанию и расчету, но и собрать все полученные результаты в единую многоаспектную и многоплановую (имитационную) модель — задача, которая в рамках классической технической теории в принципе не ставилась. Эта задача решается в системотехнике, например, с помощью имитационного моделирования сложных систем, где концептуальному аппарату и теоретическим схемам системного подхода (зафиксированным в системных представлениях) ставится в соответствие определённый математический аппарат.

Резюмируем общие черты теоретических исследований, проводимых в современных комплексных (неклассических) научно-технических дисциплинах, и основные их особенности, отличающие эти дисциплины от классических технических наук.

Прежде всего, это комплексность теоретических исследований, в какой бы форме они не проводились и каким бы способом они не формировались. Развиваясь нестандартным путём, они отличаются от классических технических наук тем, что в последних теория строилась под влиянием определённой базовой естественнонаучной дисциплины и именно из неё заимствовались первоначально теоретические средства и образцы научной деятельности. Bo-многих современных научно-технических дисциплинах такой единственной базовой теории нет, так как они ориентированы на решение комплексных научно-технических задач, требующих участия представителей многих научных дисциплин (математических, технических, естественных и даже общественных наук), группирующихся относительно единой проблемной области. В то же время в них разрабатываются новые специфические методы и собственные средства, которых нет ни в одной из синтезируемых дисциплин, специально приспособленных для решения данной комплексной научно-технической проблемы.

Однако, несмотря на то, что на первый взгляд главной задачей здесь является синтез разнородных знаний, теоретических представлений и методов, в основе такого синтеза лежит сложная задача координации, согласования, управления и организации различных деятельностей, направленных на решение комплексной научно-технической проблемы. Поэтому объектом комплексного исследования в современных научно-технических дисциплинах будет уже не традиционный объект, хотя и достаточно сложный, а качественно новый деятельностный объект.

Так, эргономика связана с исследованием и проектированием трудовой деятельности в человеко-машинных системах и включает в себя два блока знаний: об объекте (то есть о трудовой деятельности) и о том, как исследовать и проектировать этот объект (то есть также о деятельности). Подобным образом и объект системотехники состоит из двух частей: во-первых, объектом исследования и организации в ней становится деятельность, направленная на создание и обеспечение функционирования сложной технической системы, и, во-вторых, сама данная система, будучи создана, не только включается в человеческую деятельность как удовлетворяющая определённую потребность, но и замещает собой эту деятельность. Системный анализ также имеет своим объектом деятельность, так как представляет собой совокупность научных методов и практических приёмов решения разнообразных проблем, возникающих в целенаправленной (прежде всего в управленческой и исследовательской) деятельности, то есть комплексный подход к её организации. Даже кибернетика, которая первоначально была ориентирована на машинизированное представление технических систем, начала становиться наукой о моделях человеко-машинных систем.

Ситуация, сложившаяся в современных научно-технических дисциплинах во многом напоминает изменения в экспериментально-измерительной деятельности, характерные для неклассической физики и связанные с так называемым парадоксом неизмеримости.

В классической физике предполагается, что измерительный прибор не влияет на состояние измеряемого объекта, с которым он взаимодействует, и всегда можно подобрать такие условия эксперимента, что этим возмущением можно пренебречь либо учесть его и внести соответствующие поправки в результаты измерений. Однако для микросистем достичь этого не удаётся. Поэтому, во-первых, результаты уже проведённого измерения не всегда с точностью воспроизводимы (их можно только предсказать с определённой степенью вероятности) и, во-вторых, возмущающим действием экспериментально-измерительной деятельности нельзя пренебречь. Объект измерения не может рассматриваться отдельно от этой деятельности: он не является тождественным до, во время и после эксперимента.

Аналогичная ситуация наблюдается и в современной инженерной деятельности, направленной на создание сложных человеко-машинных систем и имеющей следующие особенности:

  • ключевым в ней становится эволюционное системное проектирование, то есть проектирование не прекращается тогда, когда система уже создана, а поскольку система может устареть ещё до того, как она создана, в проекте должны быть предусмотрены её возможные будущие модификации;
  • в проекте сложной человеко-машинной системы невозможно заранее учесть все параметры и особенности её функционирования (можно только предсказать их с определённой степенью вероятности), поэтому в современной инженерной деятельности становится необходимой особая деятельность внедрения, которая направлена на корректировку проектных решений в процессе отладки системы и в соответствии с изменениями социальных, природных, экономических, технических и тому подобных условий, поскольку окружающая среда включается в проектируемую систему в качестве особого элемента;
  • деятельность использования и деятельность создания и совершенствования таких систем становятся как бы слитыми, неразрывно связанными с самими этими системами.

Наиболее ярко эта тенденция проявляется в сфере социально-инженерных разработок. Например, так обстоит дело в градостроительном проектировании, использующем знания целого ряда социальных и технических дисциплин для создания специфических деятельностных систем. Здесь особо острой становится проблема включения таких систем в окружающую социальную среду и заранее часто бывает трудно предсказать те последствия, к которым может привести подобное проектирование. Создаваемая градостроительная система должна постепенно вписываться в окружающую среду. Однако в данном случае речь идёт не о проектировании заново, а о развитии, совершенствовании такой системы, постепенном подведении её к заложенному в проекте состоянию. При этом и сама окружающая среда постепенно становится объектом проектирования.

Таким образом, возмущающим воздействием исследования и проектирования здесь уже невозможно пренебречь, его необходимо специально учитывать, поскольку и объект проектирования (исследования), и проектировщик (исследователь) имеют однопорядковую деятельностную сущность.

Подобно тому, как в неклассической физике всё большее значение придаётся методу математической гипотезы (минуя промежуточные интерпретации) и идеализированным экспериментам (без воспроизведения их на всех промежуточных стадиях в виде реальных экспериментов), в современных научно-технических дисциплинах определяющую роль начинают играть проектирование и имитационное моделирование на ЭВМ, позволяющие заранее, в форме идеализированного (машинного) эксперимента, проанализировать и рассчитать различные варианты возможного будущего функционирования сложной системы.

В алгоритмических языках имитационного моделирования, наиболее часто применяемых для этой цели, концептуальный каркас и системный образ объекта детерминированы соответствующей математической теорией (теорией множеств, теорией массового обслуживания, математической статистикой, и так далее). Описание на этом языке (проблемно-ориентированное на определённую предметную область) моделируемой системы автоматически переводится в машинную кодовую модель. Далее осуществляется экспериментирование с моделью на ЭВМ (как с особым идеальным объектом), предсказание поведения объекта для различных условий (генерация вариантов модели и выбор из них наиболее пригодных для данных условий). При этом промежуточные интерпретации, как правило, опускаются. Таким образом, при имитационном моделировании на ЭВМ система представляется первоначально в виде поточной схемы. Затем это описание трансформируется в соответствующую функциональную схему, с которой осуществляется ряд эквивалентных преобразований (движение на теоретическом уровне — дедуктивный вывод). Наконец, полученный результат (а если это необходимо, то и некоторые промежуточные результаты) интерпретируются, то есть переводятся обратно в модус поточной схемы. Иными словами, в алгоритмических языках имитационного моделирования заданы процедуры перехода от функциональных к поточным описаниям и операции эквивалентного преобразования функциональных схем. Поточная схема может быть реализована далее в виде конкретной структурной схемы проектируемой (исследуемой) системы.

Аналогию между неклассическими естественнонаучными и научно-техническими дисциплинами можно провести ещё и по той роли, которую играет в них научная картина мира. Современные неклассические научно-технические дисциплины, включая в себя сложную совокупность различных типов знания и методов и опираясь на множество разных дисциплин, используют их для решения специфических комплексных научно-технических проблем, не решаемых ни в одной из этих дисциплин в отдельности. Поэтому первым условием эффективной организации теоретического исследования в них является необходимость реконструкции той единой действительности, в которой возможно соотнесение всех частичных подходов и особое целостное видение объекта исследования (и проектирования). Причём эти дисциплины имеют дело с множеством теоретических представлений, выполняющих функцию частных теоретических схем по отношению к комплексному теоретическому исследованию, и формирование неклассической технической теории начинается сразу с этапа разработки обобщённой теоретической схемы. Поскольку такой базовой теории, из которой можно было бы осуществить её транспортировку, как правило, нет, то она транслируется из методологической сферы (конечно, с последующей модификацией и конкретизацией). Эту функцию по отношению к современным научно-техническим дисциплинам выполняют чаще всего системный подход и общая теория систем, имеющие общенаучный статус. Иногда в этой функции используются кибернетические представления и понятия.

Таким образом, в настоящее время сформировался целый блок научно-технических дисциплин, имеющих общую системную ориентацию, задающую относительно них особую плоскость объективации искусственно создаваемых сложных систем. В фундаментальной теоретической схеме задаётся специфическое видение объекта исследования и проектирования. Кроме того, системная картина мира (или системная онтология) выполняет функцию методологического ориентира (по отношению к различным современным научно-техническим дисциплинам) в выборе теоретических средств и методов решения комплексных научно-технических задач, даёт возможность транслировать их из смежных дисциплин или методологической сферы. Она является также методологическим ориентиром для конструирования сложных идеальных объектов современных научно-технических дисциплин, их последующего имитационного моделирования и интерпретации, то есть позволяет экстраполировать накопленный в данной дисциплине опыт на будущие проектные ситуации. В системотехнике она несколько иная, чем в кибернетике, системном анализе или эргономике, но всё же это системная фундаментальная теоретическая схема.

Одной из наиболее важных, с точки зрения философии, особенностей современных научно-технических дисциплин служит их явно выраженная методологическая ориентация. В рамках этих дисциплин осуществляются конкретно-методологические исследования (часто с выходом на практику через методические разработки и проектирование). Более того, методологические знания вплетены в саму техническую теорию. Иногда они даже замещают теорию (то есть методология в современных научно-технических дисциплинах может выступать в функции теории) в виду неразработанности общих теоретических средств особенно на первых этапах развития этих дисциплин, поскольку не существует образцов или прецедентов такого комплексного исследования. Трансляция же их из других сфер возможна только с помощью предварительного анализа. Это значительно поднимает роль и ответственность методологии науки по отношению к данным конкретно методологическим исследованиям.

Отметим ещё одну важную черту, общую для всех комплексных научно-технических дисциплин. Поскольку они имеют дело с деятельностным объектом исследования и проектирования, то возникает проблема совмещения системных и деятельностных представлений. В системотехнике, например, это выражается в необходимости совмещения структурной и алгоритмической схем одной и той же системы в едином описании. Это обусловливает и специфику идеальных объектов второго уровня (идеальные объекты первого уровня относятся к включаемым в данную дисциплину отдельным исследованиям); в них неразрывно переплетены объектные и деятельностные представления, объект как бы сплавлен с деятельностью его проектирования, совершенствования и использования.

В отличие от классических технических наук, которые предметно-ориентированы на определённый класс технических систем (механизмов, машин, радиотехнических устройств, радиолокационных станций и так далее), комплексные научно-технические дисциплины проблемно-ориентированы на решение комплексных научно-технических задач определённого типа: системотехнических, эргономических, градостроительных, дизайнерских, и так далее (хотя объект исследования в них может частично совпадать). Это разграничение на классические и неклассические научно-технические дисциплины коренится в развитии самой инженерной деятельности и проектирования.

Содержание
Новые произведения
Популярные произведения