КОНЦЕПТУАЛЬНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ САПР КИБЕРФИЗИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Глущенко Валерий Владимирович
Московский политехнический университет
д.т.н., доцент, профессор кафедры СМАРТ-технологий и центра проектной деятельности

Аннотация
Предметом статьи выступает концептуальный подход к проектированию САПР киберфизических систем (КФС); объектом работы являются САПР киберфизических систем; целью работы является повышение эффективности САПР КФС; для достижения этой цели решаются такие задачи: формирования концепции и алгоритма проектирования САПР КФС; описания методологических положений общей теории КФС; описания генерируемых общей теорией киберфизических систем факторов повышения эффективности САПР КФС; общая характеристика методов проектирования и исследований киберфизических систем на всех этапах их жизненного цикла; методами статьи выступают философия и методология науки, теория систем автоматизированного проектирования (САПР); теория иерархических систем, теория моделирование, исторический и системный анализ, теория технологических укладов; научная новизна статьи связана с формированием концепции системного подхода при проектировании САПР киберфизических систем и формированием общей теории киберфизических систем

Ключевые слова: , , , , , , , , , , , ,


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Глущенко В.В. Концептуальный подход к проектированию САПР киберфизических систем // Современные научные исследования и инновации. 2022. № 12 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2022/12/99391 (дата обращения: 19.06.2024).

Введение. Актуальность статьи определяется необходимостью повышения эффективности  научного обеспечения систем автоматизированного проектирования (САПР) киберфизических систем (КФС) в условиях формирования нового технологического уклада.

Для повышения эффективности САПР КФС нового поколения нужно совершенствовать научное обеспечение процессов разработки САПР киберфизических систем. При этом развитие различных видов КФС в 2023 году может рассматриваться как одно из основных направлений формирования нового 10-го технологического уклада.

Гипотезой статьи является утверждение о том, что для повышения эффективности САПР КФС и процессов их проектирования необходимо разработать общую теорию КФС и парадигму их автоматизированного системного проектирования.

Целью работы является повышение эффективности САПР киберфизических систем в период становления нового технологического уклада в экономике и обществе.

Для достижения этой цели решаются такие задачи:

- формирования парадигмы проектирования САПР КФС;

- описания методологических положений полной теории КФС;

- описания методов проектирования и исследований САПР КФС на всех этапах их жизненного цикла;

- описание содержания новых учебных дисциплин в области проектирования и исследований КФС.

Объектом работы являются САПР КФС в период 10-го технологического уклада.

Предметом статьи выступает парадигма проектирования САПР КФС.

Анализ опубликованных результатов исследований по теме этой статьи показывает следующее.

В начале 21 века активно исследуют процессы создания САПР [1, с. 85-88; 2, с. 121-122]. Большое внимание уделяется системному подходу при проектировании САПР [3, с. 1076-1081; 4, с. 98-101]. Одновременно с этим проектирование и анализ КФС считаются приоритетными научными и практическими задачами в начале 21 века [5, с.2]. Страны Европейского союза реализуют собственную стратегию в области развития КФС [6]. Ученные считают, что разработка АСУ предприятиями является важной задачей автоматизации производственных процессов в 2022 году  [7, с. 139-140]. Создание теории технологических укладов открывает уникальную возможность для модернизации продукции и производственных мощностей предприятий в процессе их перехода к 10-му технологическому укладу [8, с. 488-504]. Мейнстримом развития нового технологического уклада станут синтез и внедрение в практику ряда новых технологий: нанотехнологий; информационных технологий; технологий цифровизации, нейротехнологий и других [9, с. 23-42].  Прогнозируют, что в процессе становления нового техуклада будут опережающими темпами развиваться САПР продукции и технологических процессов [10, с. 2].   По этой причине нужно развивать интеллектуальные учебные и исследовательские САПР  [11, с. 214-216].  Практика показывает, что при создании САПР могут быть ошибочные проектные решения [12, с. 15-18].  Ученные считают, что в начале 21 века необходимо развивать теорию научной деятельности, провести модернизацию научной и инновационной деятельности [13, с. 2].   Одним из организационных направлений модернизации инновационной деятельности может быть формирование технологических платформ [14]. В ситуации становления нового технологического уклада могут быть полезны методы эргономического дизайна  [15, с. 333-337].

Прогнозируется, что  фирмы все чаще будут использовать проектную (а не процессную) модель деятельности организаций [16, с. 24- 34]. Считают, что можно повысить результативность инновационных проектов путем развития методов синтеза эффективных инновационных идей [17]. Дизайн-мышление рассматривают как новый способ увеличения эффективности инновационных проектов [18, с. 245-254; 19]. Метод эгономического дизайна можно использовать для повышения эффективности научного обеспечения САПР [20]. Известна точка зрения, что латеральное и клиповое мышление у студентов может влиять на эффективность их работы в реальной экономике [21, с. 489-501]. Анализ научных публикаций по теме этой статьи позволяет сделать следующие выводы: создание САПР является важным направлением развития нового технологического уклада; киберфизические системы будут одним из основных направлений технического развития в период нового технологического уклада; понятие киберфизической системы является дискуссионным понятием; общая теория киберфизических систем пока еще не разработана; концептуальный подход при проектировании САПР КФС пока еще не разработана. Это подтверждает актуальность темы настоящей статьи.

Метод. В начале 21 века: САПР рассматриваются как перспективное направление развития нового технологического уклада; КФС-киберфизические системы (англ. cyber-physical system) выступают как одно из ключевых направлений развития техники в новом технологическом укладе. КФС можно признать качественно новым этапом в развитии средств автоматизации производств и производимой продукции. Исторически основой развития автоматизированных систем большой импульс придало создание компьютеров и АСУ в период 8-го технологического уклада (в 1940-1970 годы)  [4, с. 245-264]. При этом в настоящее время сущность КФС пока еще глубоко не исследована. В 2022 году нет и общей теории САПР и КФС. В свою очередь отсутствие общей теории САПР и КФС может приводить к методологическим ошибкам при проектировании таких систем [12, с. 15-18].

Под концептуальным подходом в проектировании САПРТ КФС будет пониматься общий взгляд на такую САПР как на сложную систему. Развитию концептуального подхода в сфере создания САПР КФС может препятствовать отсутствие однозначного понимания самих КФС. В 2022 году под КФС понимают широкий класс систем, обладающих такими свойствами.

1.КФС представляет собой системное объединение таких структурных элементов: информационные технологи, искусственный интеллект,  вычислительные средства и физические устройства; технологии цифровизации; базы данных.

2. Для КФС присущ распределенный характер процессов управления с разделением и делегированием полномочий по принятию решений.

3. Основой управляющей части КФС выступают технологии интеллектуального управления.

4. Физические элементы в КФС могут выступать в качестве: несущей конструкции этой КФС (например, корпуса беспилотного транспортного средства); датчиков внешней информации (приемники воздушного давления, гироскопы и др.); передающих устройств (транспортеры, редукторы и прочее), механических приводов различных типов (гидравлических, пневматических и т.д.), исполнительных устройств (например, механическая «рука» робота) и другое.

5. Вычислительные средства (чаще всего имеющие вид микропроцессоров) распределены по всей структуре КФС, поэтому вычислительная подсистема имеет как минимум двухуровневый вид.

6. КФС носит иерархический характер, что подразумевает наличие в такой системе нескольких иерархических уровней, имеющих свои цели и задачи управления.

7. В КФС их вычислительная подсистема связана по своим характеристикам и алгоритмам функционирования с физическими элементами этой КФС, что продуцирует синергетический эффект в ходе функционирования такого рода систем.

8. С точки зрения теории управления все задачи в подсистеме управления КФС могут быть разделены на два иерархических уровня (части): задачи первого (нижнего) уровня- это задачи управления технологическими процессами; задачи второго (верхнего) уровня- задачи управления методами решения задач технологического управления.

9. Информационная часть КФС включает различного рода базы данных, различные системы получения, цифровизации, преобразования, хранения, обработки и анализа данных.

10. Технологии цифровизации являются важной частью КФС, поскольку эти технологии обеспечивают преобразование аналоговых сигналов физической части КФС в цифровой код, пригодный для работы с ним в вычислительной части КФС.

11. При создании КФС интегрированно применяется сразу несколько видов технологий, характерных для 10-го технологического уклада.

Методологией проектирования САПР и КФС можно признать системную инженерию. Системная инженерия берет свое начало в теории иерархических систем. Основы теории иерархических систем изложены в работах [22, с. 12-17; 8, с. 245-264].  Системная инженерия представляет собой гармоничное объединение знаний из различных областей. Такой комплекс знаний в результате их комплексного использования позволяют решать на практике задачи проектирования, производства, обращения и эксплуатации реальных КФС.

Анализ подходов к определению сферы практического использования КФС показывает следующее. Возможны широкая и узкая трактовка понятия КФС. При узкой трактовке понятия «КФС (киберфизическая система)» в состав видов КФС можно включить: промышленные роботы; беспилотный транспорт; автономные роботы; интернет вещей; нанотехнологические устройства; нейротехнологические устройства и другое. Перспективы развития нейротехнологий в период нового технологического уклада описаны в работе [23, с. 45-57].  Критерием отнесения определенного вида продуктов к КФС можно считать наличие у такого продукта или производства всех перечисленных выше 11-ти признаков КФС.

При широкой трактовке понятия КФС в состав таких систем могут включаться системы, которые: во-первых, обладают большинством из перечисленных выше 11-ти свойств; во, вторых, не обладают некоторыми из перечисленных выше 11-ти свойств. При широком подходе в состав КФС можно включить: системы автоматизированного проектирования (САПР); некоторые виды нейротехнологий; симуляторы и тренажеры; аналитику больших данных; облачные вычисления; квантовые вычисления; дополненную реальность; виртуальную реальность; метавселенную; трехмерную печать; печатную электронику и другое.

Концептуальный подход при использовании знаний выступает основой увеличения экономической эффективности науки в новом технологическом укладе. Анализ публикаций показывает, что существует значительное число публикаций по теме КФС в 2022 году. Однако, такие публикации часто носят локальный характер. Эти публикации часто не имеют своего дальнейшего теоретического развития. Об отсутствии крупных центров научных разработок по тематике КФС может отражать преимущественно единичный характер публикаций одного автора или коллектива авторов. При этом отсутствует информация о внедрении и практической эффективности конкретных публикаций.

В период развития нового технологического уклада требуются общая теория и парадигма проектирования САПР КФС. Такие общая теория и парадигма проектирования САПР КФС должны стать основой для повышения экономической эффективности реальных САПР КФС. Кроме того, для повышения качества высшего образования в этой сфере нужно ввести новые учебные дисциплины для студентов университетов.

Парадигмой проектирования САПР КФС будем называть системное объединение философии, идеологии, политики, организационной культуры, миссии, видения, целей и задач создания такого рода систем. Философией проектирования САПР КФС станем называть наиболее общий, мудрый взгляд на процесс и результаты проектирования таких САПР. Формирование философии проектирования САПР КФС находит свое выражение в описании принципов проектирования такого рода систем. Принципами проектирования САПР КФС можно назвать: комплексное проектирование всей «технологической пирамиды» КФС; системного охвата всего жизненного цикла КФС; обеспечения эффективности процесса автоматизированного проектирования КФС; минимизации непроизводительных потерь; комплексного использования различных видов технологий; принцип управления методом решения задач; принцип максимального использования передовых технологий; принцип использования членов проектной команды по их максимальной квалификации и другие.

При этом принцип комплексного проектирования всей «технологической пирамиды» САПР КФС говорит о том, что процессом проектирования должна быть охвачена вся эта «технологическая пирамида» такого рода систем. Такая «технологическая пирамида» САПР КФС включает следующие иерархические уровни: высший уровень иерархии обеспечивает концептуальные разработки и создание новых технологических принципов; на втором уровне технологической пирамиды синтезируют технологии функционирования САПР КФС; на третьем уровне технологической пирамиды проектируют и изготавливают сами эти САПР КФС; на четвертом уровне осуществляют эксплуатацию этих САПР КФС в производственном процессе; на пятом уровне осуществляют техническое обслуживание и обучение методам эксплуатации САПР КФС.

Все пять иерархических уровней САПР КФС имеют свою специфику и должны проектироваться в рамках системного подхода.

Аналогично обстоит ситуация с системным подходом к проектированию всех этапов жизненного цикла САПР КФС. В простейшем случае можно выделить три этапа жизненного цикла САПР КФС: производство (которое включает и этап проектирования); обращение САПР КФС на рынке; этап эксплуатации САПР КФС.

При этом элементы парадигмы проектирования САПР КФС должны системно охватывать все уровни технологической пирамиды и все этапы жизненного цикла этой САПР киберфизической системы.

Вследствие этого, например философия проектирования САПР КФС должна системно объединять (агрегировать)   15 элементов. Эти элементы представляют собой матрицу размером 5 (уровни технологической пирамиды)*3 (этапы жизненного цикла. Элементы этой «матрицы философии САПР КФС» могут быть синтезированы с использованием известной в практике научно-технического прогнозирования методологии «морфологического ящика». Каждое отделение этого морфологического ящика должно содержать философию проектирования определенной части «технологической пирамиды» на определенном этапе ее жизненного цикла. Например, элемент этого «морфологического ящика» с номером 5:1 должен описывать философию либо проектирования системы технического обслуживания САПР КФС либо философию профессионального обучения методам использования этой САПР КФС на этапе ее эксплуатации.  При этом элемент этого морфологического ящика с номером 3*3 должен содержать философию эксплуатации этой САПР КФС ее владельцем и т.д.

Одновременно с этим, такой морфологический ящик задает структуру граф-дева философии проектирования такого рода систем. Эта же процедура декомпозиции философии может быть применена для формирования философий элементов более низкого уровня.

Аналогичная процедура может быть использована при декомпозиции идеологии проектирования САПР КФС. Под идеологией проектирования САПР КФС может пониматься: во-первых, ключевая идея создания такой САПР (или ее элементов); во-вторых, способ распределения власти между стейкхолдерами этого процесса.

Для управления процессом создания САПР КФС могут применяться СИАРТ-технологии в управлении. САМРТ-технологии в управлении предполагают проверку целей создания такой САПР на соответствие этих целей таким требованиям. При таком подходе исходят из того, что SMART представляет собой аббревиатуру: S – specific — означает: конкретная; M – measurable —определяет, что цель измеримая; A – achievable, ambitious, agresive, аttractive — говорит о следующих свойствах цели: достижимая, амбициозная, агрессивная, привлекательна; R – relevant, resource — означает, что цель согласованная, отвечает располагаемым ресурс; T – time bound – свидетельствует, что цель ограниченная по времени. После определения цели создания САПР, эта цель может быть представлена в форме граф-дерева целей. При этом может быть использован, описанный выше подход.  В результате использования предлагаемой процедуры декомпозиции с использованием морфологического ящика может быть получен граф-дерево целей создания САПР КФС.

Таким образом можно говорить о том, что в процессе формирования концепции проектирования САПР КФС, предложенная процедура проектирования может применяться к философии, идеологии, целям проектирования, миссии и видению САПР КФС.

При этом для синтеза и анализа функциональной структуры САПР КФС может использоваться функционально-декомпозиционное представление  сложных систем [24, с. 134–136].

Парадигма проектирования САПР КФС тесно связана с общей теорией киберфизических систем. Это объясняется тем, что в процессе разработки и эксплуатации киберфизических систем происходит внедрение научных результатов из данной области знаний.

Это создает потребность в развитии общей теории киберфизических систем. Такая общая теория может быть основой при формировании структуры научной платформы для обеспечения процессов проектирования и эксплуатации КФС. Нужно учитывать, что из философии и методологии науки известно, что только общая теория киберфизических систем может быть наиболее развитой и практически эффективной формой научного знания в этой научной области. В связи с этим нужно сформулировать ключевые методологические положения общей теории киберфизических систем.  В области теории познания (гносеологии) общая теория (наука)  о киберфизических системах может выступать как комплекс: методов и способов, которые позволяют осуществлять классификацию фактов в сфере проектирования, производства, обращения и функционирования киберфизических систем; методов позволяющих производить изучение, анализ, прогнозирование, диагностику киберфизических систем;  методов управления способами решения задач исследования киберфизических систем на всех этапах их жизненного цикла и другое.

Практическое значение научной теории киберфизических систем заключается в увеличении эффективности практического использования научных знаний в этой области. При этом может иметь место и снижение рисков, характерных для процессов проектирования и функционирования киберфизических систем. Научной теорией проектирования и функционирования киберфизических систем станем именовать: научный метод, как комплекс приемов и принципов, с использованием которых обеспечивается объективное исследование явлений, описывающих специфику конкретной киберфизической системы, анализ, диагностику, проектирование систем, состояний и  ситуации в рамках изучаемой киберфизической системы.

Методологическая функция общей теории киберфизических систем состоит в  формировании теоретической базы этой научной дисциплины. Методологическая функция науки о КФС включает следующее:  развитие понятийной основы теории киберфизических систем; синтез методологии научного исследования процессов проектирования и функционирования киберфизических систем; изучении фактов, явлений, наблюдаемых в процессе проектирования и эксплуатации киберфизических систем и их составляющих; формулировании категорий и законов синтезируемой данной научной дисциплины.

Познавательная функция полной теории проектирования и эксплуатации киберфизических систем объединяет такие процессы: извлечения, описания, классификации знаний в этой области; методы анализа знаний в сфере киберфизических систем; проведение оценки отдельных процессов и явлений в постиндустриальных условиях развития нового технологического уклада.

В разработке эффективных концепций, способов, приемов, инструментов управления процессом реализации жизненного цикла киберфизических систем заключается регулятивная (инструментальная) функция полной теории киберфизических систем. Эта функция имеет практическую направленность.

Законотворческая функция полной (общей) теории киберфизических систем состоит в разработке законодательства, обеспечивающего: благоприятные условия научного развития и практического применения киберфизических систем; обеспечении  мотивации участников процесса развития сферы киберфизических систем.

Оптимизационная функция общей (полной) теории киберфизических систем заключается в следующем: формировании показателей и критериев оценки социально-экономической эффективности киберфизических систем; синтезе методов анализа, сравнения и выбора на основании определенного критерия наиболее эффективных вариантов киберфизических систем; формирования систем показателей для оценки эффективности функционирования составляющих частей киберфизических систем и другом.

Прогностическая функция общей теории киберфизических систем состоит в формировании вероятностных оценок характеристик перспективных состояний киберфизических систем и/или ее составляющих частей; прогнозном анализе перспектив развития сферы и отдельных направлений киберфизических систем.

Предупредительная функция общей теории киберфизических систем состоит: в исследовании причин возможных отклонений в процессе развития сферы киберфизических систем или ее отдельных направлений; в разработке и реализации плана мероприятий, нацеленных на обеспечение минимизации рисков и ущербов в процессе  развития сферы киберфизических систем как части нового технологического уклада.

Психологическая функция общей теории киберфизических систем состоит в формировании ощущения и восприятия необходимости развития сферы киберфизических систем как важного социально-экономического и технико-технологического аспекта роста эффективности экономики, увеличения безопасности и комфортности жизни общества в процессе развития нового технологического уклада.

Функция социализации знаний в общей теории киберфизических систем заключается в следующем: структурировании, классификации, хранении информации; передаче в социальную среду общества и профессиональную среду информации о значении и методах развития киберфизических систем их роли в экономике и обществе.

Системообразующая (агрегативная) функция общей теории киберфизических систем состоит в комплексном использовании знаний в сфере киберфизических систем. При этом должны учитываться особенности накопления знаний, их структуризации, классификации и эффективного практического использования.

Ролями общей теории киберфизических систем можно признать: увеличение экономической эффективности процессов проектирования и эксплуатации киберфизических систем; снижение рисков развития сферы киберфизических систем в процессе становления нового технологического уклада; рост эффективности инвестиций в развитие сферы киберфизических систем и другое.

Под законами развития сферы киберфизических систем условимся понимать устойчивые причинно-следственные связи между процессами и показателями функционирования сферы киберфизических систем как части нового технологического уклада.

Законы развития и функционирования сферы киберфизических систем можно сформулировать следующим образом:

1. развитие сферы киберфизических систем как области человеческой деятельности связано с процессами: разделения и специализации труда; развития науки; практического внедрения информационных технологий;

2. формирование сферы киберфизических систем является результатом активного внедрения информационных технологий в процессы проектирования новых видов продукции;

3. развитие сферы киберфизических систем основано на распределенных системах управления;

4.  любая киберфизическая система представляет собой большую и сложную гуманистическую систему, которая состоит из ряда частей (подсистем): датчиков информации; информационных технологий; исполнительных механизмов; вычислительной техники и другого;

5. по специфике деятельности и уровню абстрактности деятельности сфера киберфизических систем в рамках одного технологического уклада представляют собой «технологическую пирамиду киберфизических систем». Эта пирамида включает пять иерархических технологических уровней: 1) синтез новых технологических принципов киберфизических систем; 2) разработку технологий функционирования киберфизических систем; 3) производство киберфизических систем как технических объектов; 4) процесс эксплуатации киберфизических систем в реальной экономике и обществе; 5) процессы технического обслуживания и обучения использованию конкретных киберфизических систем;

6. уровень экономической эффективности киберфизических систем связан с отраслевой принадлежностью этих систем и возможностями многократного использования (мультипликации) отраслевых технологий САПР в процессах создания новых образцов техники;

7. жизненный цикл киберфизических систем включает этапы зарождения, роста, зрелости, старения, модернизации в рамках последующих технологических укладов.

Функции общей теории киберфизических систем могут рассматриваться как основные направления развития научных основ этой теории, имеющие большое познавательное (гносеологическое) и практическое значение.

Ключевыми научными задачами развития общей теории киберфизических систем можно считать: развитие методов научных исследований в области киберфизических систем; развитием теории проектирования киберфизических систем; системный анализ и синтез киберфизических систем как антропогенных объектов.

Основными практическими  задачами общей теории киберфизических систем будем признавать такие задачи:

- целеполагания процессов развития всей сферы и отраслевых направлений киберфизических систем;

-технологический маркетинг с области киберфизических систем, как синтез и выбор оптимальных технических инструментов развития этого вида систем;

- управленческий маркетинг (поиск инструментов управления) развитием сферы и отраслевых составляющих киберфизических систем;

- менеджмент процессов формирования новых направлений и технологий киберфизических систем с учетом необходимости обеспечения баланса в треугольнике «люди-цели-ресурсы» в ходе развития этой сферы;

- прогнозирования и планирование (стратегическое и текущее) развития сферы и отраслевых направлений киберфизических систем и их составляющих элементов;

- анализа облика и/или  процессов становления киберфизических систем в отраслях экономики и национальной экономике в целом;

- диагностика процессов развития сферы киберфизических систем, оценка уровня развития киберфизических систем в целом и/или развития отдельных видов технологий киберфизических систем;

- формирование системы мотивации участников процесса развития сферы киберфизических систем, ее отраслевых направлений;

- контроль состояния и процессов развития сферы киберфизических систем и  другое.

Методами полной теории киберфизических систем могут считаться: СМАРТ-технологии; дизайн-мышление; эргономика киберфизических систем; объединение (агрегирование) элементов;  разделение на части (декомпозиция); системные синтез и анализ; прогнозный анализ в киберфизических системах; формирование типовых представлений киберфизических систем; моделирование киберфизических систем; эвристическое прогнозирование развития киберфизических систем; теория правого обеспечения функционирования киберфизических систем и другие. Исследования показывают, что развитие нового технологического уклада дополнительно усилит воздействие инноваций, технологий, науки и образования на экономику и общество [17].

В научной платформе киберфизических систем могут быть выделены блоки по таким признакам: на основе функций теории киберфизических систем; по отраслям экономики; ключевым технологиям нового технологического уклада и другим. Внедрение новых технологий в киберфизические системы и экономику в свою очередь приведет к увеличению экономической эффективности науки и инноваций. Это позволит обеспечить научно-технический прогресс в области киберфизических систем. В процессе развития науки о киберфизических системах (как научной платформы) нужно учитывать, что функции теории киберфизических систем могут рассматриваться как направления ее развития. Использование функций науки о киберфизических системах в качестве направлений исследований и/или системообразующего фактора при формировании научной платформы позволит: лучше координировать научные исследования; сократить число недостаточно изученных областей в научном обеспечении киберфизических систем; снизить вероятность дублирующих и неудачных исследований.

Нужно развивать теорию киберфизических систем как единую методологическую основу проектирования, создания и функционирования этого класса систем. Развитие общей теории киберфизических систем создает методологическую основу для развития научной платформы такого рода систем. В этом процессе рекомендуется учитывать опыт создания в Европейском Союзе технологических платформ как инструмента информационных контактов [14].

Под научной платформой в развития киберфизических систем  условимся понимать системное объединение научных знаний из различных отраслей науки. В эту научную платформу нужно включать знания, которые необходимы для решения задач: проектирования и анализа киберфизических систем; оценки проектов создания киберфизических систем; исследований  на всех этапах жизненного цикла киберфизических систем.

Архитектурой научной платформы киберфизических систем станем называть системное объединение таких факторов: стиль создания киберфизических систем; искусство, эмоциональное восприятие процессов проектирования киберфизических систем; гармоничное сочетание процессов на всех этапах жизненного цикла киберфизических систем; гармонизацию процессов взаимодействия стекйхолдеров в процессах развития сферы киберфизических систем.

Дизайном научной платформы можно называть мероприятия по обеспечению гармоничного восприятия всего массива научных данных о киберфизических системах, минимизацию вероятности «белых пятен» в научном обеспечении процесса автоматизированного проектирования КФС.

Главными задачами эргодизайна киберфизических систем и архитектуры научной платформы киберфизических систем можно признать: формирование единого стиля получения, систематизации, оценки и практического использования знаний; оптимизацию процессов получения и использования знаний на всех этапах жизненного цикла киберфизических систем.

Алгоритм проектирования КФС может иметь следующий вид:

- описание философии, идеологии, организационной культуры функционирования КФС;

- формирование миссии, видения, целей создания КФС;

- разработка технико-экономического обоснования (ТЭО) создания КФС;

- определение облика КФС (основных характеристик и структуры);

- описание алгоритмов функционирования КФС и ее элементов;

- прототипирование и тестирование КФС;

- внесение доработок в КФС по результатам тестирования ее прототипа;

- создание образца КФС и другое.

Такой алгоритм проектирования КФС одновременно является и алгоритмом функционирования САПР КФС.

Сильными сторонами концептуального подхода при проектировании КФС можно назвать: интеграцию гуманитарных, технологических, технических и экономических аспектов проектирования и  функционирования КФС; последовательное поэтапное наращение и раскрытие информации о различных аспектах облика и процессов функционирования разрабатываемой КФС; использование методов системного анализа, эргодизайна, СМАРТ-технологий, дизайн-мышления при проектировании КФС и другое.

Обсуждение. Концептаульный подход при автоматизированном проектировании КФС позволяет гармонизировать все аспекты облика и процессов функционирования САПР КФС. Этот подход дает возможность не допустить рассогласования характеристик элементов и диспропорций в процессе проектирования КФС. Это важно потому, что в процессе развития САПР киберфизических систем и платформ научного обеспечения создания киберфизических систем возможны диспропорции. В случае их возникновения, эти диспропорции могут привести к снижению эффективности научного обеспечения САПР киберфизических систем. В качестве инструмента снижения вероятности появления диспропорций в научном обеспечении САПР киберфизических систем  может рассматриваться метод эргономического дизайна.

Эргономическим дизайном научной платформы киберфизических систем условимся называть способ и специфику гармонизации структуры, характера взаимодействия различных элементов киберфизических систем, научных подходов в этой сфере.

Факторами обеспечения эффективности научной платформы САПР киберфизических систем можно считать следующее:

- методы получения, хранения и классификации  научных знаний о киберфизических систем на основе функций общей теории таких систем;

- практическое применение знаний, организованных в форме научной платформы САПР киберфизических систем может быть более эффективным. Это связано с тем, что такой подход обеспечивает увеличение степени комплексности использования всех имеющихся научных знаний;

- рост экономической эффективности практического применения знаний о САПР киберфизических систем в рамках такой научной платформы на основе гармонизации процессов получение, классификации, хранения и использования знаний;

- создание научной платформы САПР киберфизических систем может позволить поднять уровень усвоения знаний и приобретения практических навыков (компетенций) обучающимися студентами.

Поясним действие механизма обеспечения эффективности научного обеспечения САПР киберфизических систем на основе гармонизации и практического комплексного использования знаний при реализации  инновационного проекта создания такой системы. Анализ факторов эффективности инновационного проекта создания такой САПР подтверждает, что на экономическую эффективность инновационного проекта может воздействовать научное обеспечение киберфизических систем. Научные знания помогают решить ряд задач, связанных с внешними и внутренними факторами такого инновационного проекта. Перечень факторов, определяющих эффективность проекта представлен в работе [13, с.112 -115]. Для создания конкурентоспособного на глобальном рынке образца САПР киберфизических систем необходимо на научной основе решить такие внешние проблемы этого проекта: поиск приемлемых по показателям стоимость, риски источников финансирования проекта; создание пула венчурных инвесторов и бизнес-ангелов; формирование пула андеррайтеров проекта (это входит в сферу специальности финансы и кредит); анализ специфики и емкости целевого для данного вида киберфизических систем сегмента рынка; формирование облика потребителя; определение требований потребителя к продукту и другое. Эти внешние научные и практические проблемы проекта создания САПР киберфизической системы должны решаться в системном единстве с внутренними проблемами данного инновационного проекта. Как уже отмечалось, список типовых научных внешних и внутренних проблем типового инновационного проекта описан в работе [13, с.114 -115]. С учетом специфики проекта киберфизических систем этот перечень должен быть адаптирован к условиям, целям и задачам проекта создания конкретной САПР киберфизической системы. При этом нужно учитывать, что эти внешние и/или внутренние по отношению к проекту разработки киберфизической системы научные и практические управленческие решения могут быть взаимосвязанными.

Развитие общей теории и научной платформы САПР киберфизических систем может быть еще более экономически эффективным, если оно будет интегрировано с более активным применением в научной и/или инновационной деятельности продуктового, проектного подходов. В рамках проектного подхода может выполняться: организация проектных групп (команд); формирование матричных организационных структур в проектных организациях; развиваться продуктивная организационная культура фирм, осуществляющих опытно-конструкторскими и другие виды работ в сфере киберфизических систем на всех этапах их жизненного цикла. Проектная модель деятельности организации представлена в работе [17].

Повышению эффективности общей теории киберфизических систем как метода увеличения экономического эффекта от практического использования научных результатов может способствовать активное использования  моделирования технологических процессов извлечения и практического использования научных знаний в этой области.

Положительные эффекты при использовании научных знаний при реализации инновационных проектов и для повышения качества высшего образования в сфере киберфизических систем могут возникать при: системном объединении знаний, принадлежащих к различным направлениям инноватики, технологий, экономики, управления, в интересах создания инновационных киберфизических систем; снижения рисков отсутствия необходимых научных знаний по элементам и всей киберфизической системе; кастомизации применительно к проблемам развития киберфизических систем научных исследований; роста вероятности своевременного нахождения актуальных научных знаний; формирования приоритетных направлений научных исследований в сфере киберфизических систем; увеличения степени клиентоориентированности в научной и образовательной работе университетов в области киберфизических систем и другое.

Дальнейшему повышению эффективности сферы научного обеспечения киберфизических систем может способствовать формирование новых инновационных научных и образовательных направлений в этой сфере. Для повышения эффективности процессов создания и эксплуатации киберфизических систем, повышения качества образования в этой области предлагается сформировать такие направления научной и образовательной деятельности в этой области: «Методы исследований киберфизических систем (КФС)»; «Методы разработки программ и технологии испытаний киберфизических систем (КФС)»; «Методы анализа результатов испытаний киберфизических систем (КФС)» [25, с. 199-201].

Аннотация программы научных исследований и учебной программы по направлению «Методы исследований киберфизических систем (КФС)» может включать такие дидактические единицы: появление киберфизических систем как этап научно-технического прогресса; понятие и особенности киберфизических систем; необходимость развития методологии научных исследований киберфизических систем; понятие научного обеспечения исследований киберфизических систем; технологические платформы киберфизических систем; особенности исследований уровней технологической пирамиды киберфизических систем; классификация методов исследований киберфизических систем; фундаментальные и прикладные исследования киберфизических систем; особенности исследований КФС на различных этапах их жизненного цикла; описание содержания наиболее часто применяемых методов исследований киберфизических систем; предшествующие, в реальном масштабе времени и последующие исследования киберфизических систем; применение методологии дизайн-мышления при проектировании и исследованиях киберфизических систем; содержание и особенности анализа и диагностики киберфизических систем; методы анализа эффективности методов исследований в киберфизических систем и  другое. Аннотация учебной программы «Методы разработки программ и технологии испытаний Киберфизических систем (КФС)» может охватывать следующие дидактические единицы: этапы жизненного цикла киберфизических систем; испытания как этап жизненного цикла киберфизических систем; виды испытаний киберфизических систем; особенности киберфизических систем  как объекта испытаний; функциональные испытания киберфизических систем; роль испытаний на всех этапах жизненного цикла киберфизических систем; цели и задачи испытаний киберфизических систем; понятие и структура технологий испытаний киберфизических систем; организационно-технологическая подготовка испытаний киберфизических систем; методы планирования испытаний киберфизических систем; типовые представления киберфизических систем как объекта испытаний; организация разработки программ испытаний киберфизических систем;  разработка проекта безопасности испытаний киберфизических систем; разработка имитационных обстановок при испытаниях киберфизических систем; разработка проекта измерений при испытаниях киберфизических систем; сопровождающее моделирование при испытаниях киберфизических систем; оценка эффективности программ испытаний киберфизических систем; доработка киберфизических систем по результатам испытаний и  другое.

Аннотация научного направления и/или учебной программы «Методы оценки и анализа результатов испытаний Киберфизических систем (КФС)» включает такие дидактические единицы: анализ и оценка результатов испытаний киберфизических систем как технологический элемент и этап процесса испытаний; информационное обеспечение оценки и анализа результатов испытаний киберфизических систем; технологический процесс анализа и оценки результатов испытаний киберфизических систем; особенности киберфизических систем  как объекта испытаний, оценки и анализа; цели и задачи оценки и анализа результатов испытаний киберфизических систем; функциональные испытания киберфизических систем; понятие и структура технологий испытаний киберфизических систем; виды технологий испытаний киберфизических систем; классификация и виды анализа испытаний киберфизических систем; диагностика КФС по результатам испытаний; методы сопровождающего моделирования при оценке и анализе результатов испытаний киберфизических систем; типовые представления киберфизических систем при их оценке и анализе; организация проведения оценки и анализа результатов испытаний киберфизических систем;  оценки и анализ уровня безопасности киберфизических систем; оценка и анализ надежности киберфизических систем по результатам испытаний; оценка целевой эффективности образца по результатам испытаний киберфизических систем; анализ и оценка степени достаточности информационного обеспечения процесса  испытаний киберфизических систем; оценка и анализ полноты и эффективности программ испытаний киберфизических систем; формирование рекомендаций по доработке киберфизических систем по результатам испытаний; оценка эффективности программы испытаний киберфизических систем и  другое.

Заключение. В работе развиваются методические положения парадигмы системного проектирования САПР КФС и общей теории КФС. В статье обсуждаются основы использования эргодизайна для формирования научной платформы САПР КФС. Такую платформу нужно создать в интересах повышения экономической эффективности процессов получения и использования научных знаний при проектировании использовании киберфизических систем. В статье выделены и описаны структурные элементы научной платформы киберфизических систем. В статье предложены учебные дисциплины, которые могут повысить качество высшего образования в сфере САПР КФС. Такой рост качества высшего образования может быть связан с рядом факторов: организация знаний в форме научной платформы; повышения эффективности использования знаний в рамках научной платформы; стимулирования развития системного и эргономического мышления студентов и другого.


Библиографический список
  1. Жанабеков К.М., Султанова Б.К. Процесс разработки и методы проектирования САПР//Молодой ученый. 2019. № 44 (282). С. 85-88.
  2. Курейчик В.М., Сафроненкова И.Б. Разработка онтологии задач САПР методом иерархической кластеризации//В сборнике: Молодежь и современные информационные технологии. сборник трудов XIV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Институт кибернетики. 2016. С. 121-122.
  3. Долин Г.А., Дорджиев Ж.С. Разработка сквозной интеллектуальной САПР радиотехнических устройств и систем//Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2018. Т. 18. № 4. С. 1076-1081.
  4. Жулябин Д.Ю. О разработке функционального взаимодействия в подсистеме САПР беспроводных систем связи//В сборнике: Перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении. Сборник научных статей 3-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Ответственный редактор А.А. Горохов. 2018. С. 98-101.
  5. Sanfelice R. G. Analysis and Design of Cyber-Physical Systems. A Hybrid Control Systems Approach // Cyber-Physical Systems: From Theory to Practice / D. Rawat, J. Rodrigues, I. Stojmenovic. — CRC Press, 2016. — ISBN 978-1-4822-6333-6.
  6. European Political Strategy Centre (2016). The Future of Work: Skills and Resilience for a World of Change. EPSC Strategic Notes, Issue 13. Retrieved May 3rd, 2018.. Дата обращения: 31 марта 2020. Архивировано 8 февраля 2020 года.
  7. Зыкин С.А., Катаева М.И. Разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом на предприятии // Пермский национальный исследовательский политехнический университет (Пермь). — 2018. — Т. 1. — С. 139-140.
  8. Глущенко В. В. Научная теория технологических укладов и исследование направлений ее практического применения // Бюллетень науки и практики. 2020. Т. 6. №4. С. 488-504. https://doi.org/10.33619/2414-2948/53/59
  9. Глущенко В.В. Разработка концепции модернизации отраслей экономики и регионов страны в процессе становления 8-го технологического уклада // Современные научные исследования и инновации. 2021. № 11 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2021/11/96986 (дата обращения: 20.11.2021).
  10. Петров А.В., Черненький В.М. Разработка САПР. проблемы и принципы создания САПР//Москва, изд-во «Высшая школа», 1990. – 143 с.
  11. Королев Е.Н. Разработка компонент интеллектуальных учебно-исследовательских САПР//В сборнике: Интеллектуальные информационные системы. Труды Международной научно-практической конференции. В 2-х частях. 2018. С. 214-216.
  12. Кузнецов С.А. Об одном некорректном подходе к разработке баз данных стандартных элементов для машиностроительных САПР//Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2005. № 1. С. 15-18.
  13. Глущенко В.В., Глущенко И.И. Наукология: задача модернизации науки и инновационной деятельности, – М.: Глущенко Ирина Ивановна, 2015; 116 с.
  14. Густап Н.Н. Европейские технологические платформы: понятие, история создания, характеристика. – Томск: Известия Томского политехнического университета, Выпуск № 6, том 321, 2012.
  15. Кантарюк Е.А., Кантарюк М.В., Кантарюк Г.В. Эргодизайн в производственной среде//В сборнике: Технология. Дизайн. Образование. Сборник материалов всероссийской (очно-заочной) научно-практической конференции с международным участием. Магнитогорск, 2022. С. 333-337.
  16. Glushchenko V.V. (2022) The concept of project activity of organizations in the period of the 9th technological order// The scientific heritage, 2022, VOL 4, No 83 (83) (2022), р. 24- 34. DOI: 10.24412/9215-0365-2022-83-4-24-34. http://www.scientific-heritage.com/wp-content/uploads/2022/02/The-scientific-heritage-No-83-83-2022-Vol-4.pdf
  17. Глущенко В.В. Проектный подход, моделирование и бизнес-планирование в инновационной деятельности предприятий в условиях восьмого технологического уклада // Современные научные исследования и инновации. 2021. № 11 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2021/11/96842 (дата обращения: 06.11.2021).
  18. Гейдерих П.В. Дизайн-мышление как перспективный способ генерации и развития инноваций//Вестник Тверского государственного университета. Серия: Экономика и управление. 2018. № 3. С. 245-254.
  19. Glushchenko V.V. (2023) Development of the design thinking paradigm in the context of transition to a new technological order//Indonesian Journal of Multidiciplinary Research; Vol 3, No 1 (2023): IJOMR: VOLUME 3, ISSUE 1, 2023. DOI: https://doi.org/10.17509/ijomr.v3i1.52187 https://ejournal.upi.edu/index.php/IJOMR/article/view/52187/
  20. Глущенко В.В. Эргодизайн развития научного обеспечения разработки САПР // Современные научные исследования и инновации. 2022. № 11 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2022/11/99186 (дата обращения: 23.11.2022).
  21. Рудакова И.В., Новикова Н.Г. Клиповое и латеральное мышление  как феномен современности: типы мышления студентов БГИТУ//В сборнике: Студент года 2020. сборник статей Международного учебно-исследовательского конкурса. Петрозаводск, 2020. С. 489-501.
  22. Mesarovich M., Mako D., Takahara I. Theory of hierarchical multilevel systems. – Moscow: Mir, 1973, p.12-17.
  23. Glushchenko, V. V. (2021). The development of neurotechnologies in the period of the sixth technological order. International Journal of Engineering Science Technologies, 5(2), 45-57. https://doi.org/10.29121/ijoest.v5.i2.2021.163.
  24. Glushchenko, V.V. Functional-decompositional representation of complex technological systems//Soviet journal of computer and systems sciencesthis, 1990, 28(6), с. 134–136.
  25. Глущенко В.В. Формирование научно – образовательной платформы киберфизических систем [Текст] / В.В. Глущенко// Сборник статей Международной научно-практической конференции «Инструменты, механизмы и технологии современного инновационного развития (Екатеринбург, 15.11.2022 г.). – Стерлитамак: АМИ, 2022. с. 199-201.


Все статьи автора «Глущенко Валерий Владимирович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация