Формирование и развитие технической теории

Основные фазы формирования технической теории

Первые технические теории формировались как приложение физических теорий к конкретным областям инженерной прак­тики, как правило, в две фазы. На первой фазе образуется новое прикладное исследовательское направление и формируются но­вые частные теоретические схемы, на второй — развертываются обобщенные теоретические схемы и математизированная тео­рия. При этом из базовой естественной науки сначала трансли­руется исходная частная теоретическая схема (для технической науки она — поточная схема), из смежной технической науки — структурная теоретическая схема (или она разрабатывается за­ново), а из математической теории — функциональная схема. Затем производится адаптация этих схем к новому эмпиричес­кому материалу и их модификация за счет конструктивного вве­дения новых абстрактных объектов.

На первой фазе осуществляется переработка заимствованных из базовой естественнонаучной теории схем экспериментальных ситуаций в структурные схемы конкретных технических уст­ройств, совершенствование и модификация их конструкции. Объект исследования и проектирования рассматривается в этом случае лишь как разновидность объекта исследования базовой естественнонаучной теории.

Например, после проведенных Герцем исследований основ­ных теоретических положений было вполне достаточно, чтобы прийти к их сознательному использованию для создания прак­тических технических устройств. Однако разработанная им в ходе экспериментов аппаратура была еще недостаточно

совершенна. Поэтому после публикации результатов Герца разверну­лись исследования, целью которых было усовершенствование экспериментального оборудования и разработка новых схем эк­спериментально-измерительных ситуаций, позволяющих найти более простые и надежные способы получения и регистрации электромагнитных волн. Эти работы фактически еще не выхо­дили за пределы экспериментальной деятельности в естествен­ной науке, но вели одновременно к техническому использова­нию электродинамики. Именно эта деятельность и сделала воз­можным появление первых радиопередающего и радиоприемно­го устройств.

Недостатками вибратора Герца были быстрое затухание коле­баний и быстрое обгорание контактов. Первый недостаток был устранен за счет введения трех (вместо одного) искровых про­межутков, второй недостаток — после помещения осциллятора в жидкость. Это позволило увеличить длину искры без того, чтобы была необходимость отполировывать каждый раз шарики, и легко изменять период колебаний путем сближения или удале­ния обкладок конденсатора, включенного в первичный контур, или самих шаров вибратора- Одновременное включение в пер­вичный контур конденсатора устранило вредные электростати­ческие помехи, нежелательные при некоторых опытах. В резуль­тате стало возможным получить первое радиопередающее уст­ройство: достаточно было включить в первичную цепь индукци­онной катушки ключ Морзе, что и было осуществлено Маркони. Недостатком вибратора Герца была также малая вели­чина получаемой искры, что затрудняло ее регистрацию. Поиски более надежного способа наблюдения искр производи­лись сразу многими исследователями. В качестве регистратора ими использовалась газоразрядная трубка, электроскоп, термоэ­лемент и т.д. Однако наиболее перспективным оказался когерер — прибор для обнаружения электрических колебаний, действие которого основывалось на изменении сопротивления "плохого контакта" под действием электрических колебаний в цепи, ча­стью которой он являлся. При помощи когерера Оливер Лодж продемонстрировал отражение, преломление и поляризацию электромагнитных волн. Для восстановления когерера автомати­ческий встряхиватель опилок, которыми он был начинен, сна­чала включали в цепь когерера, а затем во вторичную цепь с более мощным источником энергии. Его принцип действия ос­новывается на том, что действие электрических зарядов резко уменьшает большое сопротивление опилок. Именно так было создано А. С. Поповым первое радиоприемное устройство.

Таким образом, после Герца развитие электродинамики пошло в двух основных направлениях — дальнейшего обобще­ния и систематизации физической теории и совершенствования

структурных схем эксперимента, что стимулировало появление радиотехники. Второе направление носило, по существу, инже­нерный характер, хотя и было первоначально ориентировано на решение сугубо исследовательских задач, т.е. на создание новых конструктивных элементов, разработку более эффективных и экономичных схем проведения экспериментов, устранение по­бочных влияний и тд. Эта деятельность была направлена на создание различных конструктивных схем радиотехнических устройств и постепенно стала ведущей в новой технической те­ории (в электродинамике она носила лишь вспомогательный характер). Основное внимание многочисленных изобретателей того времени концентрировалось на совершенствовании кон­структивных элементов радиотехнических устройств, направ­ленном на увеличение их мощности, дальности действия, удоб­ства эксплуатации, экономичности, а также освоении все новых диапазонов электромагнитных волн для осуществления радио­передачи и радиоприема. Каждому изобретению при этом со­путствовали определенные теоретические и экспериментальные исследования.

Разработка обобщенной теоретической схемы является завер­шающей фазой построения технической теории. Чаще всего эта схема транслируется из смежных областей или из базовой есте­ственнонаучной теории. Однако если в базовой естественнона­учной теории нет соответствующего раздела, то он строится за­ново, что является специальной задачей. В технической теории вводятся однородные абстрактные объекты, состоящие из типо­вых и иерархически организованных идеальных элементов и связей между ними (правила сборки и разборки этих элемен­тов), которые обязательно ставятся в соответствие конструктив­ным элементам реальных технических систем, т.е. вводится процедура анализа и синтеза теоретических схем. Если к этому моменту конкретная область инженерной деятельности уже сложилась, то возможна ее перестройка под теоретическую мо­дель (подведение конструктивных элементов под идеальные элементы абстрактных объектов).На этом этапе производятся попытки спроецировать обобщенную теоретическую схему на класс гипотетических технических систем, что приводит к необ­ходимости создания математизированной теории. Задание операций эквивалентного преобразования функциональных схем (дедуктивный вывод) и позволяет осуществить вышеупомянутое проецирование, т.е. синтез еще не созданных технических си­стем. Это ведет к созданию на эмпирическом уровне техничес­кой теории блока практико-методических знаний — рекоменда­ций для еще неосуществленной инженерной деятельности. Апробация технической теории производится в самой инженер­ной практике, а доказательством ее жизненности и конструктивности

является создание на ее основе новых технических систем.

Например, развитие статистической радиолокации заключа­лось как раз в разработке такой обобщенной теоретической схемы. Потребность в создании теории радиолокации, которая устанавливала бы основные закономерности и критерии каче­ства любых радиолокационных станций (РЛС), привела к разви­тию вероятностного подхода к решению ее задач, к разработке на ее основе новых методов обработки и синтеза сигналов. Задача выделения сигнала в шумах является статистической и может быть решена только методами теории вероятностей. Прием сигналов стал рассматриваться как статистическая задача сначала в радиолокации, а затем и в радиотехнике. Таким обра­зом, в теоретической радиолокации сформировались два слоя взаимноскоррелированных теоретических схем, отражающих соответственно электродинамические процессы (поточные схемы) и их статистические модели (функциональные схемы). Скажем, так называемая "рэлеевская цель", с одной стороны, представляет собой объект математической статистики (т.е. оп­ределенную функциональную схему, в соответствии с которой дается классификация различных "целей"), адекватный опреде­ленному виду вероятностного распределения — распределению Рэлея, а с другой — имеет четкий электродинамический корре­лят, находится в четком соответствии с данной поточной схе­мой. Физически такую цель можно представить как бы состоя­щей из большого количества отражающих элементов.

Одновременно были разработаны процедуры анализа и син­теза теоретических схем РЛС. Это позволило сравнивать с еди­ных позиций РЛС, отличающиеся по назначению, параметрам и конструктивному оформлению. Для этой цели строится одно­родный абстрактный объект радиолокации — "идеальная РЛС", относительно которой формулируется основное уравнение даль­ности радиолокации, а также уравнения, определяющие ее ра­бочие характеристики. Вычисление различных потерь, наблюда­емых в реальных условиях, позволяет использовать основные схемы и формулы, выведенные для идеальной РЛС, для быстрой оценки параметров реальных станций. Операторное описание РЛС дает возможность выделить в них фиксированный набор стандартных блоков (умножитель, интегратор, пороговое уст­ройство, согласованный фильтр, временной селектор и др.), со­ответствующих определенным математическим операциям Из этих блоков по определенным, зафиксированным в теории пра­вилам могут быть синтезированы самые разнообразные функци­ональные и поточные схемы радиолокационных станций, кото­рые затем реализуются в виде различных структурных схем ре­альных РЛС,

Эволюционное и революционное развитие технической теории

Развитие технической теории проходит двумя основными способами — эволюционным и революционным. В первом слу­чае происходит выделение новых исследовательских направле­ний и областей исследования в рамках одной и той же фунда­ментальной теоретической схемы; во втором — происходит смена одной фундаментальной теоретической схемы на другую при переходе в новое семейство научно-технических дисциплин.

Примером такого перехода является изменение парадигмы научного и инженерного мышления в радиолокационной систе­мотехнике, а именно -- когда электродинамическая картина ми­ра замещается системно-кибернетической. Радиолокация попа­дает в новое семейство научно-технических дисциплин, имею­щих системную ориентацию. Переход от классической радиоло­кации к радиолокационной системотехнике — это прежде всего переход от разработки отдельных радиолокационных станций различного назначения к созданию многофункциональных си­стем. Несколько РЛС, замкнутые на один пункт сбора и обра­ботки информации, составляют радиолокационный узел; нес­колько таких узлов, обменивающихся информацией, образуют радиолокационную систему. Радиолокационная система позво­ляет решать задачи, которые не под силу отдельным радиолока­ционным средствам. При их проектировании возникает целый ряд специфически системных проблем. Любая радиолокацион­ная система является, в свою очередь, подсистемой более круп­ной системы — системы управления, которая входит в еще бо­лее крупную систему, например, навигационную. В радиолока­ционной системотехнике для математического исследования аб­страктных структурных схем используется аппарат теории гра­фов. Изображение радиолокационной системы в виде структур­ного графа позволяет провести оптимизацию ее структуры ма­тематическими средствами. Применение в радиолокации кон­цептуального и математического аппарата теории информации и кибернетики позволило перейти к анализу так называемой тон­кой структуры сложного сигнала, независимо от его конкрет­ного вида. Понятие радиолокационной информации связано с описанием носителя информации (сигнала), т.е. естественного процесса, протекающего в радиолокационной системе. Радиоволны при этом рассматриваются лишь как один из типов волн произвольной природы, наряду с инфракрасными и свето­выми колебаниями, а также рентгеновским и гамма-излучением или механическими ультразвуковыми колебаниями упругой среды. Функционирование радиолокационной системы рассмат­ривается в системотехнике как алгоритм обработки информа­ции,

Многие современные научно-технические дисциплины ориентируются на системную картину мира, в классических же технических науках использовалась в качестве исходной физическая картина мира. В радиоэлектронике (которая представляет собой сегодня целое семейство дисциплин) используется, например, преобразованная радиотехникой фун­даментальная теоретическая схема электродинамики. Физическая картина электромагнитных взаимодействий (колебаний, волн, полей) совмещается со структурным изобра­жением радиотехнических систем, в которых эти физические процессы протекают и искусственно поддерживаются. Таким образом, она преобразуется в картину области функционирования технических систем определенного типа. С одной стороны, дан­ная картина является результатом развития и конкретизации фундаментальной теоретической схемы базовой естественнона­учной теории к области функционирования технических систем, например, к диапазону практически используемых радиоволн как разновидности электромагнитных колебаний. С другой сто­роны, эта схема формируется в процессе систематизации и обобщения различных частных теоретических описаний кон­струкции данных технических систем и включает в себя классификационную схему потенциально возможных технических си­стем данного типа и режимов их функционирования.

Фундаментальная теоретическая схема выполняет важную методологическую функцию в технической науке — методологи­ческого ориентира для еще неосуществленной инженерной дея­тельности. Она задает принцип видения вновь создаваемых тех­нических систем и позволяет выбирать для решения данной ин­женерной задачи наиболее подходящие теоретические средства из смежных технических, математических или естественных дисциплин. Инженер всегда ориентируется на такую теорети­ческую схему, осознает он это или нет. Он соотносит с ней об­раз исследуемой и проектируемой им системы, хотя и не всегда отдает себе отчет в том, что эта схема достаточно жестко на­правляет его поиски.

Глава 13

СОВРЕМЕННЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ИНЖЕНЕРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ И НЕОБХОДИМОСТЬ СОЦИАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ТЕХНИКИ

В жизни современного общества инженерная деятельность играет все возрастающую роль. Проблемы практического использования научных знаний, повышения эффективности научных исследований и разработок выдвигают сегодня инженерную деятельность на передний край всей экономики и современной культуры. В настоящее время великое множество технических вузов готовит целую армию инженеров различного профиля для самых разных областей народного хозяйства. Развитие профессионального сознания инженеров предполагает осознание возможностей, границ и сущности своей специальности не только в узком смысле этого слова, но и в смысле осознания инженерной деятельности вообще, ее целей и задач, а также изменений ее ориентаций в культуре ХХ века.

Общество с развитой рыночной экономикой требует от инженера большей ориентации на вопросы маркетинга и сбыта, учета социально-экономических факторов и психологии потребителя, а не только технических и конструктивных параметров будущего изделия.

Инженерная деятельность предполагает регулярное применение научных знаний (т.е. знаний, полученных в научной деятельности) для создания искусственных, технических систем - сооружений, устройств, механизмов, машин и т.п. В этом заключается ее отличие от технической деятельности, которая основывается более на опыте, практических навыках, догадке. Поэтому не следует отождествлять инженерную деятельность лишь с деятельностью инженеров, которые часто вынуждены выполнять техническую, а иногда и научную деятельность (если, например, имеющихся знаний недостаточно для создания какой-либо конкретной технической системы). В то же время есть многочисленные примеры, когда крупные ученые обращались к изобретательству, конструированию, проектированию, т.е., по сути дела, осуществляли какое-то время, параллельно с научной, инженерную деятельность. Поэтому инженерную деятельность необходимо рассматривать независимо от того, кем она реализуется (специально для этого подготовленными профессионалами, учеными или просто самоучками).

Современный этап развития инженерной деятельности характеризуется системным подходом к решению сложных

научно-технических задач, обращением ко всему комплексу социальных гуманитарных, естественных и технических дисциплин. Однако был этап, который можно назвать классическим, когда инженерная деятельность существовала еще в "чистом" виде: сначала лишь как изобретательство, затем в ней выделились проектно-конструкторская деятельность и организация производства.

Обособление проектирования и проникновение его в смежные области, связанные с решением сложных социотехнических проблем, привело к кризису традиционного инженерного мышления и развитию новых форм инженерной и проектной культуры, появлению новых системных и методологических ориентаций, к выходу на гуманитарные методы познания и освоение действительности.

В соответствии с вышеизложенным рассмотрим последовательно три основные этапа развития инженерной деятельности и проектирования:

1) классическая инженерная деятельность;

2) системотехническая деятельность;

3) социотехническое проектирование.