5. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ГЛУБИНУ 20 И БОЛЕЕ ЛЕТ

По утверждению Г.Д. Доброва, методами экстраполяции, при прогнозе функциональных характеристик, можно достичь глубины 7 лет. При пониженных требованиях к точности – 10 лет. Однако, для планирования НИР и выбора направления поисковых разработок необходимо получать оценку функциональных характеристик исследуемых систем на глубину в 20 и более лет. Для достижения необходимой глубины прогнозов, используют, как правило, методы экспертных оценок, мирясь с присущим этим методам субъективизмом экспертов. Или используют специальные приёмы получения приблизительных, ориентировочных оценок, опирающихся на комбинацию методов экстраполяции с методами статистики, информатики и наукометрии. Практика прогнозирования показывает, что такие методы в меньшей степени подвержены субъективизму и , в конечном итоге, дают более точные оценки прогнозируемых характеристик.

Ниже приводятся приёмы выбора показателей функциональных характеристик, использования статистики, информатики, наукометрии, применявшиеся авторами пособия для прогнозирования на глубину в 20 и более лет.

5.1. Выбор функциональных характеристик технических систем при прогнозировании на глубину в 20 и более лет

Как уже отмечалось в разделе 4.5 настоящего пособия, выбор показателей характеризующих состояния технических систем – очень тонкий и ответственный этап прогнозирования. При прогнозах на глубину в 20 и более лет, при сопоставлении вариантов исполнения технических систем, нами успешно использовались безразмерные показатели, относительной функциональной эффективности, относительной ресурсной эффективности и относительной финансовой эффективности.

Показатель функциональной эффективности варианта z системы рассчитывался зависимостью

, (5.1)

где: - показатель относительной интенсивности функционирования варианта z системы; supZ F – наименьшая оценка относительной интенсивности функционирования «сверху» наибольшего из всех Z известных вариантов системы.

Показатель ресурсной эффективности варианта z системы рассчитывался зависимостью

, (5.2)

где - показатель относительного ресурсопотребления варианта z системы; infZ R – наибольшая оценка относительного ресурсопотребления «снизу» наименьшего из всех Z известных вариантов системы.

Показатель финансовой эффективности варианта z системы рассчитывался зависимостью

, (5.3)

где - показатель относительной финансовой эффективности варианта z системы; infZ С – наибольшаяшая оценка финансовой эффективности «снизу» наименьшего из всех Z известных вариантов системы.

Показатель относительной интенсивности функционирования равен отношению показателя функционирования варианта z системы к показателю производительности этого варианта.

(5.4)

Показатель относительного ресурсопотребления равен отношению показателя расходования ресурсов вариантом z системы к показателю производительности этого варианта.

(5.5)

Показатель относительной финансовой эффективности равен отношению показателя расходования финансов вариантом z системы к показателю производительности этого варианта.

(5.6)

В качестве показателей функционирования, расходования ресурсов, расходования финансов вариантом z системы использовались наборы (векторы) натуральных показателей, традиционно характеризующих состояния технических систем.

5.2. Прогнозирование характеристик технических систем на основе оценок базовых точек и критериев подобия

Для прогноза показателей, характеризующих состояние вариантов системы на глубине в 20 и более лет была разработана процедура, в основу которой положены принцип базовой точки и критерии подобия. Соответствующие показатели эффективности для вариантов конструктивного исполнения, например, рассмотренные в разделе 5.1 показатели расходования ресурсов, расходования финансов вариантом z системы, рассчитываются как произведение базового показателя ( или соответственно) и двух критериев подобия, характеризующих конкретные условия ( или соответственно ) работы прогнозируемой системы и конструктивные особенности ( или соответственно ) варианта z системы. Например,

= · · (5.7)

= · · (5.8)

Исходя из оценок стабильности представлений об эффективности на время глубины прогноза, наличие и доступность информации, считаем возможным для общих, ориентировочных прогнозов ограничить ресурсные показатели характеристиками - материалоёмкости и - энергоёмкости варианта z системы. тогда для показателей ресурсной эффективности, материалоёмкости и энергоёмкости соответственно, будем иметь выражения

= · · ,

= · · . (5.9)

Где ,,, - соответственно, критерии подобия материалоёмкости и энергоёмкости.

В качестве показателя расходования финансов , для приближённых расчётов принята стоимость варианта z системы.

= ·· . (5.10)

Где и - критерии подобия стоимости.

В качестве базовых показателей , и приняты урезанные средние удельные характеристики соответственно ресурсных и экономических показателей, полученных из статистических (ретроспективных) данных средств механизации.

Урезание средних характеристик производится на 10% наибольших и 10% наименьших значений выборки, для отсечения случайных выбросов.

Критерии подобия, характеризующие особенности условий работы прогнозируемой машины для показателей ресурсной (,) и экономической () эффективности, рассчитываются как произведения тривиальных критериев подобия, характеризующих особенности назначения pu технической системы и перерабатываемого ею сырья su.

=·,

=·, (5.11)

=·.

Тривиальные критерии подобия удельной материалоёмкости, характеризующие особенности некоторого назначения pu# , рассчитываются следующим образом

= , (5.12)

где:- оценка урезанной средней массы варианта z системы для назначения pu#, кг; - оценка урезанной средней массы по всем назначениям систем, кг.

Тривиальные критерии подобия удельной энергоёмкости, характеризующие особенности некоторого назначения pu# , , рассчитываются следующим образом

= , (5.13)

где:- оценка урезанных средних энергозатрат варианта z системы для назначения pu#, кВт; - оценка урезанных средних энергозатрат по всем назначениям технических систем, кВт.

Тривиальные критерии подобия удельной стоимости, характеризующие особенности некоторого назначения pu# , , рассчитываются следующим образом

= , (5.14)

где:- оценка урезанной средней стоимости реализации варианта z системы для назначения pu#, руб.; - оценка урезанной средней стоимости реализации по всем назначениям технических систем, руб.

Тривиальные критерии подобия удельной материалоёмкости, характеризующие особенности работы системы с некоторой средой su, , рассчитываются следующим образом

= , (5.15)

где:- оценка урезанной средней массы варианта z системы для среды su, кг; - уже известная нам оценка урезанной средней по всем средам массы технических систем, кг.

Тривиальные критерии подобия удельных энергозатрат, характеризующие особенности перерабатываемой системой некоторой среды su, , рассчитываются следующим образом

= , (5.16)

где:- оценка урезанных средних энергозатрат варианта z системы для среды su, кВт; - уже знакомая оценка оценка урезанных средних энергозатрат систем для всех сред, кВт.

Тривиальные критерии подобия удельной стоимости, характеризующие особенности некоторого назначения su, , рассчитываются следующим образом

= , (5.17)

где:- оценка урезанной средней стоимости реализации варианта z системы для среды su, руб.; - оценка урезанной средней по всем средам стоимости реализации исследуемых систем, руб.

Критерии подобия ,,, характеризующие конструктивные особенности реализации варианта z системы, отражают взаимовлияние на оценки эффективности принятых по системам конструктивных решений.

Критерии подобия, характеризующие конструктивные особенности варианта z системы для показателей ресурсной (,) и экономической () эффективности, рассчитываются как произведения тривиальных критериев подобия, характеризующих влияние конструктивного исполнения других технических систем для механизации процессов производства и переработки продукции сельского хозяйства. Например, для варианта z условной системы, при наличии в её структуре некоторой основной (преобразующей состояние продукта) функции IB критерии подобия показателей ресурсной (, ) и экономической () эффективности будут включать произведения следующих тривиальных критериев подобия:

· учитывающих оснащение, насыщение принципиальной схемы варианта z условной системы вспомогательными функциями IA - , , ;

· особенности энергоснабжения EN варианта z условной системы - , ,;

· особенности управления СО варианта z условной системы - , ,;

· пространственно-силового решения, учитывающие принятые реализации для функций размещения и удержания FR варианта z условной системы - , ,;

· особенности формирования функциональной схемы варианта z условной системы учитывающие различия в оценках для носителя функции , в зависимости от того реализуется ли эта функция в сочетании с другими или эксклюзивно -, ,.

Сделав соответствующие подстановки получим зависимости

=· ·· ··, (5.18)

=··· ··, (5.19)

=· ·· ··. (5.20)

Тривиальные критерии подобия для показателей оснащения, насыщения вспомогательными функциями варианта z условной системы , , рассчитываются как отношения соответствующих урезанных средних характеристик , , для каждого из допустимых вариантов IA к соответствующим базовым показателям , , .

, (5.21)

, (5.22)

. (5.23)

Тривиальные критерии подобия для показателей , , энергоснабжения EN варианта z условной системы рассчитываются как отношения соответствующих урезанных средних характеристик , , к соответствующим базовым показателям , , .

, (5.24)

, (5.25)

. (5.26)

Тривиальные критерии подобия для показателей , ,управления СО варианта z условной системы рассчитываются как отношения соответствующих урезанных средних характеристик , , к соответствующим базовым показателям , , .

, (5.27)

, (5.28)

. (5.29)

Тривиальные критерии подобия для показателей , , пространственно-силового решения, учитывающие принятые реализации для функций размещения и удержания FR варианта z условной системы рассчитываются как отношения соответствующих урезанных средних характеристик , , к соответствующим базовым показателям , , .

, (5.30)

, (5.31)

. (5.32)

Тривиальные критерии подобия для показателей особенности формирования функциональной схемы варианта z условной системы, учитывающие различия в оценках для носителя функции , в зависимости от того реализуется ли функция в сочетании с другими или эксклюзивно -, , рассчитываются как отношения соответствующих урезанных средних характеристик , , к соответствующим базовым показателям , , .

, (5.33)

, (5.34)

. (5.35)

Для расчёта показателей эффективности , , , ,, и соответствующих им базовых показателей , , была создана специальная база данных FINCOST созданная в среде Access. Кроме полей описывающих состав и последовательность функций известных машин, в базу введены поля: constr IB – содержащее описания вариантов конструктивного исполнения основных функций; constr IA – содержащее описания вариантов конструктивного исполнения вспомогательных функций; constr EN – содержащее описания вариантов конструктивного исполнения функций энергоснабжения; constr СО – содержащее описания вариантов конструктивного исполнения функций управления; constr FR – содержащее описания вариантов конструктивного исполнения пространственно-силовых функций. Информация в эти поля заносится в виде вербального описания на естественном языке. Кроме того, были введены поля с количественными оценками: производительности – поле str; массы – поле mas; потребляемой энергии – поле cap; стоимости – поле cost.

Для заполнения таблицы использована рекламно-техническая информация и независимые источники ( отчёты о НИР, содержащие данные тензометрирования, торможения, взвешивания машин).

На рис. 5.1 приведен фрагмент сводной таблицы специальной базы данных FINCOST с полями содержащими вербальное описание вариантов конструктивного исполнения функций. На рис. 5.2, для примера представлена система запросов обеспечивающих , расчёт показателей эффективности, базовых показателей и критериев подобия вариантов конструктивного исполнения функции ib01 - измельчение.

Для примера, в таблице 5.1 приведены показатели эффективности

вариантов конструктивного исполнения носителей функции ib01-измельчение В таблице 5.2 приведены показатели эффективности и критерии подобия вариантов конструктивного исполнения носителей функции ib01-измельчение для машин разного назначения. На рис. 5.3 – 5.6 представлены диаграммы соотношения показателе эффективности вариантов конструктивного исполнения носителей функции ib01-измельчение для машин разного назначения.

В таблице 5.3 приведены показатели эффективности и критерии подобия вариантов конструктивного исполнения носителей функции ib01-измельчение для машин работающих на разных средах. На рис. 5.7 – 5.10 представлены диаграммы соотношения показателе эффективности вариантов конструктивного исполнения носителей функции ib01-измельчение для машин работающих на разных средах.

В таблице 5.4 приведены показатели эффективности и критерии подобия вариантов конструктивного исполнения носителей функции ib01-измельчение при разных композициях машин. На рис. 5.11-5.14 представлены диаграммы соотношения показателе эффективности вариантов конструктивного исполнения носителей функции ib01-измельчение при разных композициях машин.

Рис. 5.2. Система запросов обеспечивающих расчёт показателей эффективности, базовые показатели и кр

итерии подобия конструктивного исполнения функции ib01.

В таблице 5.5 приведены показатели эффективности и критерии подобия вариантов конструктивного исполнения носителей функции ib01-измельчение для разных исполнений пространственно-силового решения машин.

На рис. 5.15 – 5.16 представлены диаграммы соотношения показателе эффективности вариантов конструктивного исполнения носителей функции ib01-измельчение для разных исполнений пространственно-силового решения машин.

Рис. 5.3. Диаграмма соотношения показателей производительности

носителей функции ib01 – измельчение для машин

разного назначения.

Рис. 5.4. Диаграмма соотношения показателей массы носителей

функции ib01 – измельчение для машин разного назначения.

Рис. 5.5. Диаграмма соотношения показателей мощности носителей

функции ib01 – измельчение для машин разного назначения.

Рис. 5.6. Диаграмма соотношения показателей стоимости носителей функции ib01 – измельчение для машин разного назначения.

Рис. 5.7. Диаграмма соотношения показателей производительности

носителей функции ib01 – измельчение для разных материалов.

Рис. 5.8. Диаграмма соотношения массы носителей

функции ib01 – измельчение для разных материалов.

Рис. 5.9. Диаграмма соотношения мощности носителей

функции ib01 – измельчение для разных материалов.

Рис. 5.10. Диаграмма соотношения стоимости носителей

функции ib01 – измельчение для разных материалов.

Рис. 5.11. Диаграмма соотношения производительности носителей

функции ib01 – измельчение для разных композиций функций.

Рис. 5.12 Диаграмма соотношения массы носителей

функции ib01 – измельчение для разных композиций функций.

Рис. 5.13. Диаграмма соотношения мощности носителей

функции ib01 – измельчение для разных композиций функций.

Рис. 5.14. Диаграмма соотношения стоимости носителей

функции ib01 – измельчение для разных композиций функций.

Рис. 5.15. Диаграмма соотношения массы носителей функции ib01 –

измельчение для разных исполнений пространственно-силовой схемы.

Рис. 5.16. Диаграмма соотношения стоимости носителей функции ib01 –

измельчение для разных исполнений пространственно-силовой схемы.

Приведенный фрагмент оценки ориентировочных характеристик технических систем на глубину в 20 и более лет даёт представление не только о содержании, но и о реальных объёмах работ при таком прогнозировании.

 

5.3. Прогнозирование функциональных характеристик технических систем на основе анализа патентной активности

Предложенный нами метод оценки функциональных параметров даёт ориентировочные оценки, в то время как другие методы для необходимой нам глубины прогноза вовсе бессильны, либо сопряжены с очень большими объёмами работ (см раздел 5.2).

Из данных приведенных в работе А.Ф. Каменева следует, что за время жизненного цикла изделия (60 лет) характеристики его функционирования возрастают в среднем в 4 раза.

В то же время, у Г.С. Альтшуллера приведены данные о том, что за первую треть жизненного цикла функциональные показатели прирастают на 66%, за вторую треть – прирастают на 33% и за третью – всего на 1%.

Там же приводятся данные и по динамике патентной активности. В период «молодости» конструктивного исполнения (первая треть цикла) динамика патентной активности положительна. В период «зрелости» конструктивного исполнения (вторая треть) динамика патентной активности близка к 0. В период «старости» конструктивного исполнения (последняя треть) динамика патентной активности отрицательна.

Сопоставление приведенных выше данных позволяет построить приближённую зависимость для оценки прироста функциональных показателей конструктивных исполнений функций за время необходимой глубины прогноза.

, (5.36)

где: и - соответственно прогнозируемый и исходный показатель функциональной эффективности варианта z условной технической системы; - необходимая глубина прогноза; - коэффициент прироста функциональной эффективности варианта z условной технической системы.

(5.37)

 

Где и - средние доли авторских свидетельств и патентов, выданных на конструктивное исполнение варианта z , от общего числа авторских свидетельств выданных по техническим системам заданного назначения, соответственно за весь период патентных исследований (три блока с 1955 по 1991гг.) и за III период (с 1987 по 1991гг.).

Значения и будут

, (5.38)

, (5.39)

где: - доля авторских свидетельств и патентов выданных на вариант z в t-ом году; Т – период патентных исследований; - год начала третьего этапа патентных исследований.

Для примера, на рис. 5.17 – 5.19 представлены характерные диаграммы динамики патентной активности для конструктивных исполнений функции ib01- измельчение.

Рис. 5.17. Оценка патентной активности варианта «клин пассивный»

функции ib01- измельчение, имеющего значение коэффициента прироста функциональной эффективности – 0,002: 1 - 1-й блок патентных исследований (1955 – 1960гг.); 2 – 2-й блок патентных исследований (1971 – 1975 гг.); 3 – 3-й блок патентных исследований (1987 – 1991гг.).

Рис. 5.18. Оценка патентной активности варианта «молотковый барабан»

функции ib01- измельчение, имеющего значение коэффициента прироста функциональной эффективности – 0,064: 1 - 1-й блок патентных исследований (1955 – 1960гг.); 2 – 2-й блок патентных исследований (1971 – 1975 гг.); 3 – 3-й блок патентных исследований (1987 – 1991гг.).

Рис. 5.19. Оценка патентной активности варианта «вальцы»

функции ib01- измельчение, имеющего значение коэффициента прироста функциональной эффективности – 0,132: 1 - 1-й блок патентных исследований (1955 – 1960гг.); 2 – 2-й блок патентных исследований (1971 – 1975 гг.); 3 – 3-й блок патентных исследований (1987 – 1991гг.).

Описанная процедура была использована при прогнозах направлений развития средств механизации приусадебного животноводства, зерноуборочного оборудования и оборудования для разгрузки автотранспорта на элеваторах и токах. Полученные конструктивные схемы вызвали интерес у специалистов и послужили прообразом для разработок новой техники.

Косвенная оценка эффекта от применения процедуры, по степени снижения информационной энтропии (по К.Э. Шеннону), показывает, что неопределённость принимаемых при проектировании конструктивных решений уменьшается более чем в 50 раз.

 

В начало

Оглавление

На главную