Актуальность темы статьи определяется:

• противоречием между возросшими требованиями к уровню подготовки кадров для эффективной эксплуатации современного автоматизированного машиностроительного оборудования и нехваткой в системе среднего (и начального) профессионального образования преподавателей, способных формировать у учащихся необходимые профессиональные компетенции;
• противоречием между возросшими требованиями к качеству специальной (САПР-ориентированной) подготовки педагога (ныне – бакалавра) профессионального обучения и отсутствием традиций реализации такой подготовки.

Машиностроение: начало 21 века

В условиях рыночной экономики устойчивое и стабильное развитие любого производителя возможно только при условии постоянного обновления выпускаемой продукции, повышения ее качества, максимального удовлетворения спроса и пожеланий потенциального покупателя.  Не смотря на то, что сегодня некоторые страны говорят о переходе к информационной экономике (например, Южная Корея – концепция развития Smart Economy), традиционные промышленные отрасли продолжают играть ведущую роль в экономическом развитии многих стран (Германия, Япония, США, Россия и др.).

Машиностроение – это особая отрасль промышленного производства, определяющая уровень развития всех остальных отраслей промышленности и всей экономики в целом. Продукция машиностроения – основа развития всех остальных промышленных и непромышленных  отраслей. Развитие компьютерных информационных технологий в последние 10-15 лет серьёзно изменило машиностроение. Сегодня на многих машиностроительных предприятиях существует неразрывное и равнозначное сочетание традиционно производственных и информационных технологий. Это связано с тем, что сегодня развитие машиностроительных технологий определяется в первую очередь развитием информационных технологий инжиниринга. Компьютерный инжиниринг — это совокупность методов и средств практического решения инженерных задач с помощью компьютерной техники и прикладных информационных технологий, среди которых особое место занимают сис­темы автоматизированного проектирования. Особенностью современного этапа развития машиностроительных предприятий является усиление роли информационных технологий и превращение их из вспомогательного средства реализации производственных технологий в равноправные, а то и ведущие силы, обеспечивающие высокий уровень машиностроительных инноваций. Сокращаются сроки и стоимость инженерной подготовки производства, качественно совершенствуются  разрабатываемые проекты, постоянно повышается профессионализм работников всех подразделений предприятия.

Несмотря на экономический кризис, сегодня на российских машиностроительных заводах закупаются и внедряются современное «интеллектуальное» оборудование – обрабатывающие центры и  станки с ЧПУ, позволяющие обрабатывать сложные детали, практически, с одного установа. Эти станки помимо сложного технического обеспечения имеют достаточно сложное многоуровневое программное обеспечение.

Основные проблемы, возникающие при эксплуатации такого оборудования, в значительной мере связаны с программным обеспечением и с ошибками в управляющих программах обработки деталей. Управляющие программы создаются технологами-программистами, а вот отладка управляющей программы выполняется оператором станка с ЧПУ. Следовательно,  последний должен уметь вносить исправления в управляющую программу прямо на станке, пользуясь тем программным обеспечением, которое имеется в стойке системы ЧПУ станка. Это возможно, если оператор имеет знания и навыки автоматизированного проектирования и программирования контуров обработки, понимает суть сквозного автоматизированного проектирования изделий и технологий их обработки. Следовательно, при обучении в системе профессионального образования будущий оператор станка с ЧПУ должен получить базовые знания по системам и технологиям автоматизированного проектирования изделий, техпроцессов и управляющих программ, а также приобрести навыки работы с ними. Нет необходимости доказывать, что потребность в таких специалистах будет только возрастать.

САПР: начало 21 века

САПР – организационно-техническая система, входящая в структуру проектной организации и осуществляющая проектирование при помощи комплекса средств автоматизированного проектирования [1, с.4].

Внедрение и использование САПР позволяет сократить трудоемкость и цикл «проектирование-изготовление», повысить качество конечных результатов и снизить общие затраты на выпуск изделия. Сегодня на машиностроительных предприятиях для решения задач автоматизированного проектирования используются    следующие системы:

• CAD (Сomputer Aided Design)-системы – позволяют построить компьютерные 3D модели изделий, сборочных узлов и машин в целом, а также получить все необходимые конструкторские документы (спецификации, сборочные чертежи, чертежи деталей).
• CAPP (Computer-Aided Process Planning)-системы – позволяют автоматизировать процесс подготовки производства, а именно проектирование технологических процессов и получение технологической документации.
• CAM (Computer Aided Manufacturing)-системы – позволяют решить широкий спектр задач, связанных с разработкой и подготовкой управляющих программ для оборудования с ЧПУ.

В настоящее время большинство CAD/CAM или CAD/CAM/CAPP систем являются интегрированными, обеспечивая поддержку процесса сквозного автоматизированного проектирования. Самое главное преимущество интегрированных систем – взаимосвязь конструкторской и технологической информации, которая гарантирует автоматическое или полуавтоматическое внесение изменений в технологию при изменении геометрии изделия. Написание и отладка управляющих программ для современных многокоординатных станков является очень трудоемкой задачей и требует особых профессиональных компетенций не только технолога-программиста, но и оператора станков с ЧПУ.

Подготовить такого САПР-компетентного оператора станков с ЧПУ должна современная система профессионального образования с новым САПР-компетентным педагогом профессионального обучения.

Профессионального образование: начало 21 века

Основной целью профессионального образования является подготовка квалифицированного работника соответствующего уровня и профиля, конкурентно способного на рынке труда, компетентного, ответственного, свободно владеющего своей профессией и ориентированного в смежных областях деятельности, способного к эффективной работе по своей специальности на уровне мировых стандартов, готовому к постоянному профессиональному росту, социальной и профессиональной мобильности.

Ни для кого сегодня не является секретом тот факт, что промышленные предприятия испытывают серьезный дефицит в квалифицированных рабочих и техниках, подготовленных в системе начального и среднего профессионального образования. Исследование проблемы качества подготовки профессионально-педагогических кадров показало [2, с.3], что их подготовленность к профессиональной деятельности не всегда отвечает уровню современных требований к профессии, в частности: 11% выпускников профессионально-педагогических специальностей считают себя не готовыми к работе в системе профессионального образования и думают о смене профессии; 23% ‑ не владеют технологиями современного производства [2, с.4]. Таким образом, нынешнее состояние профессионально-педагогического образования не в полной мере обеспечивает подготовку кадров, способных на высоком уровне обучать рабочих и специалистов для современного машиностроения.

Анализируя ситуацию в области технико-технологической подготовки педагогов (сегодня – бакалавров) профессионального обучения можно выявить следующие особенности:

1. государство перестало быть единоличным заказчиком и «покупателем» выпускников системы профессионального образования. Наличие разнообразных форм собственности промышленных предприятий и образовательных учреждений привело к тому, что заказчиком на профессиональное обучение становится конкретный (вполне реальный) человек с вполне конкретными требованиями к конечному продукту образовательного процесса.
2. современный рынок труда требует конкурентоспособных, мобильных, высокопрофессиональных педагогических кадров с установкой на самосовершенствование, самообразование, на изучение и использование прикладных отраслевых информационных систем и технологий.
3. в образовательных технологиях произошел переход от информационно-сообщающего обучения к моделирующему, которое позволяет адекватно отразить профессиональную деятельность специалиста и сориентировать обучающегося на область его ближайшего профессионального развития.

Сегодня многие технические и профессионально-педагогические вузы перешли к реализации образовательных программ подготовки и переподготовки кадров в соответствии  с образовательными стандартами (ФГОС)  нового поколения. Разработка и внедрение новых образовательных программ связаны с усложнением современного производства, широким внедрением автоматизированных систем и информационных технологий в материальное производство, изменением характера производственной деятельности,  новой философией технического и профессионально-педагогического образования.  Произошло смещение акцентов с трудоемких процессов на наукоемкие процессы. Сегодня российские профессионально-педагогические вузы приступили к подготовке нового специалиста – бакалавра профессионального обучения, на плечи которого и должна лечь вся тяжесть и ответственность за подготовку новых рабочих кадров для машиностроительных предприятий.

Бакалавр профессионального обучения в РГППУ

Профессиональная компетентность бакалавра (ранее – педагога) профессионального обучения представляет собой полиаспектную характеристику специалиста бинарной квалификации, ядром которого является интегрально-технологический компонент[2, с.4]. В соответствии с Федеральным Государственным стандартом [3, с.13] по направлению 051000 – Профессиональное обучение (по отраслям) – бакалавр профессионального обучения должен быть способен использовать передовые отраслевые технологии в процессе обучения рабочей профессии. Технологии и системы автоматизированной подготовки производства, несомненно, являются передовыми в реалиях современного машиностроительного предприятия.

В Российском государственном профессионально-педагогическом университете на кафедре технологии машиностроения и методики профессионального обучения Машиностроительного института осуществляется подготовка бакалавров профессионального обучения по профилю «Машиностроение и материалообработка», профилизация «Технология и оборудование машиностроения». Отличительной особенностью их обучения является  непрерывная (сквозная) подготовка в области современных информационных систем и технологий автоматизированного проектирования изделий, техпроцессов и управляющих программ обработки.

Сегодня в РГППУ реализуется следующая модель непрерывной САПР-ориентированной подготовки бакалавра профессионального обучения по указанному выше профилю:

Этап 1 (курс 1, семестр 2, производственное обучение): получение студентами первичных знаний о современном автоматизированном оборудовании с ЧПУ; приобретение первичных практических навыков создания управляющих программ для токарной обработки деталей типа тела на станке с системой ЧПУ Sinumerik 840D  в программе SinuTrain.

Учебный класс включает в себя 12 объединенных в локальную сеть персональных компьютеров с инсталлированным ПО SinuTrain и токарно-фрезерный обрабатывающий центр EMKO ET 325M компании ARINSTEIN (Германия), на котором проводится обучение основам наладки станка. Учебный класс (в соответствии с концепцией учебного класса компании ARINSTEIN [4]) рассчитан для обучения программированию и управлению непосредственно в системе Sinumerik 810/840D. Это позволяет унифицировать процесс обучения и максимально приблизить его к работе на реальном станочном оборудовании. SinuTrain обеспечивает симуляцию всего технологического процесса по программе, что позволяет проверить правильность программы обработки детали[5]. Виртуальное изготовление детали позволяет студенту увидеть её точное изображение на компьютере ещё до начала работы на станке. Достигаемое качество детали анализируется уже на стадии подготовки со своевременным устранением возможных сбоев в производственной цепочке.

Этап 2 (курс 1. семестр 2, учебная практика): ознакомление студентов  с современными станками и обрабатывающими центрами с ЧПУ на ведущих машиностроительных предприятиях г.Екатеринбурга, ознакомление с содержанием и особенностями работы современного конструктора, технолога и технолога-программиста, ознакомление с концепцией сквозного автоматизированного проектирования в условиях современного машиностроительного производства и примерами её реальной реализации.

Этап 3 (курс 2, семестр 3): приобретение студентами теоретических знаний и практических навыков в области информационных систем и технологий  автоматизированного проектирования изделий.

На втором курсе в рамках дисциплины «Автоматизированное проектирование изделий машиностроения» студенты приобретают знания и навыки создания чертежей и компьютерных цифровых моделей в системе КОМПАС 3D (производитель – компания АСКОН, г.Москва). Автоматизированное проектирование, выступает не только как предмет изучения, а как инструмент познания и представления студентами своих знаний в предметной (машиностроительной) области. КОМПАС-3D — система трёхмерного моделирования (Computer Aided Design система), ставшая стандартом для тысяч предприятий, благодаря удачному сочетанию простоты освоения и легкости работы с мощными функциональными возможностями твердотельного и поверхностного моделирования. Базовые возможности системы включают в себя функционал, который позволяет спроектировать изделие любой степени сложности в 3D, а потом оформить на это изделие комплект документации, необходимый для его изготовления в соответствии с действующими стандартами. По умолчанию КОМПАС-3D поддерживает экспорт / импорт наиболее популярных форматов моделей, за счёт чего обеспечивается интеграция с различными CAD / CAM / CAE системами [6]. Изучение основ работы в КОМПАС 3D помогает студентам в дальнейшем освоении других CAD-систем (Solid Works, AutoCad, ADEM и др.), а также является обязательной основой для успешного изучения дисциплины «САПР технологических процессов» и успешного выполнения курсовых проектов по дисциплинам профилизации.

Этап 4 (курс 2, семестр 4): изучение студентами теоретических и практических основ построения математических моделей в рамках дисциплины «Методы моделирования», ознакомление с основами математического обеспечения автоматизированного проектирования изделий и технологий.

Этап 5 (курс 2-3, производственное обучение): углубление практических навыков создания управляющих программ для токарной обработки деталей и получение навыков программирования фрезерной обработки  в программе SinuTrain.

Этап 6 (курс 4, семестр 7): изучение студентами теоретических и практических основ автоматизированного проектирования технологических процессов и операций в машиностроении.

После изучения профильных дисциплин на четвертом курсе в рамках дисциплины «САПР технологических процессов» планируется изучение основ работы с системой ВЕРТИКАЛЬ (производитель – компания АСКОН). ВЕРТИКАЛЬ (Computer Aided Process Planning система) — система автоматизированного проектирования технологических процессов, созданная для автоматизации процессов технологической подготовки производства. САПР ТП ВЕРТИКАЛЬ позволяет: проектировать технологические процессы в нескольких автоматизированных режимах; рассчитывать режимы резания, сварки и другие технологические параметры; автоматически формировать все необходимые комплекты технологической документации в соответствии с ГОСТ РФ и т.д. Универсальный технологический справочник, входящий в САПР ТП ВЕРТИКАЛЬ, предоставляет пользователям всю необходимую справочную информацию, а интеграция ВЕРТИКАЛЬ с КОМПАС-3D и другими автоматизированными системами решает задачи создания единой электронной среды для совместной разработки изделия, подготовки производства  [7]. Стоит отметить, что работа студентов с информационным обеспечением САПР ТП ВЕРТИКАЛЬ способствует углублению у них знаний по профильным дисциплинам.

Этап 7 (курс 7, семестр 8): планируется в рамках дисциплины «Проектирование управляющих программ в современных информационных системах» более углубленная подготовка по программированию обработки с использованием современных CAM-систем (в частности FeatureCAM [8]).

Этап 8: выпускная квалификационная работа.

После изучения указанных систем автоматизированного проектирования в рамках технологической выпускной квалификационной работы будущий бакалавр профессионального обучения должен продемонстрировать свои умения в области автоматизированного проектирования (конструкторская и технологическая документация), построить цифровые модели детали и заготовки, разработать техпроцесс обработки детали с помощью САПР ТП, разработать управляющие программы для операций предлагаемого техпроцесса, смоделировать предлагаемые процессы обработки и представить всё это в докладе на защите ВКР в ГАК.

Параллельно с основной образовательной программой кафедра реализует дополнительную образовательную программу по изучению основ работы в системе ADMAC и программу «Технологическая подготовка машиностроительного производства» [9, с.318], в рамках которой студенты приобретают знания и навыки работы в системе ADEM. Назначением указанных дополнительных образовательных программ является расширение базовой технологической подготовки бакалавров (ранее – педагогов) профессионального обучения. ADMAC – программное обеспечение, которое используется при  создании управляющих  программ  для  токарно-фрезерного обрабатывающего  центра MULTUS фирмы OKUMA. На кафедре технологии машиностроения и методики профессионального обучения МаИ РГППУ создано учебно-методическое обеспечение для обучения программированию токарной обработки в программе ADMAC для станков компании OKUMA.

В рамках дополнительной образовательной программы «Технологическая подготовка машиностроительного производства» студенты изучают CAD/CAM/CAPP систему ADEM (производитель – группа компаний ADEM). Система ADEM [10] рассчитана на полный цикл проектирования изделия, технологического процесса его обработки, создание управляющих программ для обработки изделий на современных станках и обрабатывающих центрах с ЧПУ. Опыт обучения студентов основам компьютеризации современных инженерных знаний показал, что потребность в этих знаниях колоссальная, дисциплины по системам и технологиям автоматизированного проектирования воспринимаются с большим интересом и активизируют студентов на дальнейшее самостоятельное изучение подобных систем (Power Solution, NX, T-Flex и т.д.).

Заключение

Рассмотренная модель подготовки САПР-ориентированного и САПР-компетентного педагога профессионального обучения отдельными этапами была апробирована кафедрой технологии машиностроения РГППУ в 2008-2012 гг. и оказалась достаточно эффективной, а выпускники, обладающие сформированными профессиональными компетенциями,  - конкурентоспособными специалистами,  серьезно востребованными как в системе профессионального образования, так и промышленными предприятиями.

На сегодняшнем рынке в условиях тяжелой конкуренции предприятию необходимо выпускать товар более быстро, высокого качества и по более низкой цене.

Грамотная организация процесса проектирования, является главным моментом в успешном развитии. Особенно это важно при создании сложной техники в авиа- или машиностроении. На крупном производстве процесс проектирования осуществляется довольно большой группой людей, каждый из них выполняет свою функцию. Для успешной работы необходимо процесс проектирования организовать таким образом, чтобы все могли видеть работу друг друга, иметь возможность взаимодействовать.

Ключевая роль в такой схеме отведена проектировщику, который ответственен за проект от начала и до конца. Поскольку проектировщик несет большую ответственность, он должен быть в курсе всех деталей, знать изначально требования заказчика, задачи и цели проекта, а также, необходимый заказчику конечный результат. Еще одна, и не менее важная задача проектировщика, это коммуникация с группой людей, работающих над проектом, умение донести до каждого, что требуется получить, доступным языком.

Немаловажным моментом в проектировании является предвидение того, как еще нереализованная идея будет функционировать в реальности, как новую вещь воспримут окружающие люди.  С такой задачей справится дизайнер, который должен быть хорошим аналитиком, владеть основами психологии, социологии, эргономики и прочими отраслями знаний. Дизайнер должен уметь не только проектировать само изделие, но и анализировать потребительские функции предмета. Проектные исследования помогают определиться с формированием проектной концепцией, а воображение и знание базовых проектных дисциплин, уже практическими средствами решают вопрос проектирования.

Рынок САПР многообразен, все время разрабатываются новые программы, разработчики которых утверждают о преимуществе своего продукта. Но по прошествии времени, ничего не меняется, не появляются ни обновления, ни расширение функций. И с годами разработчик программного обеспечения так и держится на начальном уровне, ставя своих пользователей перед неизбежностью поиска альтернативы, имеющегося САПР.

Для того чтобы избежать такой ситуации, необходимо потенциальным покупателям с ответственностью подойти к выбору САПР, так как смена системы автоматизированного проектирования на предприятии подразумевает не только финансовые затраты, но и большие потери времени на внедрение и обучение.

На сегодняшний день САПР позиционируется не просто совокупностью отдельных программных решений, а единую интегрированную систему инструментальных модулей, способных функционировать на различных технических платформах, взаимодействовать с другим производственным оборудованием, обрабатывать данные, полученные путем достижения разработок новейшей технологии.

Для полноценной работы конструктора и дизайнера требуется единая комбинированная система, которая будет сочетать в себе функции проектирования поверхностей свободных форм с традиционными возможностями поверхностного и твердотельного моделирования. Что позволяет в равной степени работать над проектом как конструктору, так и дизайнеру. Благодаря такой среде заказ можно будет выполнять сразу с задумки эскиза, выполненного художником, и заканчивая всей требуемой документацией с последующим изготовлением продукции. Такой подход интегрированной системы в условиях сквозного решения дизайн – проектирование – производство позволяет в короткий срок рассмотреть все возможные варианты и найти лучший с точки зрения, как функциональности, так и дизайна.

Всем этим требованиям в полном объеме отвечает современная САПР «высокого уровня» CATIA французской компании DassaultSystèmes [2].

Это комплексная, CAD/САМ/САЕ – система, позволяющая решать сложнейшие задачи подготовки производства, от внешнего конструирования, до выпуска всей конструкторской документации и программ для станков с ЧПУ. Данная САПР имеет широкие возможности для проектирования дизайна любого изделия, содержит в себе ряд инструментов для создания поверхностей любой сложности.

Теперь все разрабатываемые проекты можно проанализировать благодаря антропологическим манекенам, населяющим модуль HumanBuilder, который определяется сотней независимых связей и более ста антропологическими переменными.  

Пол манекена можно выбрать с помощью дополнительных опций. 

Рисунок 1 – Антропологический манекен

 Так же возможно преобразовать внешний вид манекена, если это необходимо для последующей презентации проекта. Можно поменять цвет волос, глаз, губ и т.д.

Рисунок 2 – Изменение внешнего образа манекена

Управление виртуальным человеком дает полную оценку его положения в пространстве. Манекен поддерживает такие типы моделирования зрения, как: бинокулярное и периферийное. Области зрения показаны как периферийные конусы, центральные конусы и линии вида.

Рисунок 3 – Моделирование области зрения

Это необходимо при расчете динамических антропометрических характеристик, например, зон видимости, что является необходимой частью анализа при проектировании рабочего места. В отдельном окне показано, что видит манекен в среде трехмерного моделирования.

Для полного эргономического соответствия, необходимо учитывать этнотерриториальную принадлежность. Для соблюдения данных требований, в модуле Human Posture Analysis, содержатся базы, которые дают возможность выбора антропометрических параметров, соответствующих европейскому, азиатскому или американскому типу.

Рисунок 4 – Выбор антропометрических параметров

Благодаря манекену, появляется возможность рассчитать связь с окружающими объектами, с учетом всех физических ограничений человека в экстремальной ситуации.

Также данный модуль позволяет производит оценку всех звеньев выполненной работы, включая анализ статического положения и сложных динамических действий. С помощью манекена можно оценить масштаб возможностей человека. Введя начальные и конечные положение объекта, разработчик сможет определить множество переменных для более точного прогнозирования выполнения каких-либо действий, в соответствии с эргономическими и антропометрическими требованиями.

Модуль Human Posture Analysis дает возможность проектировщикам качественно проанализировать все грани положения манекена.

Рисунок 5 – Анализ положения объекта

Так же существует возможность исследования различного положения тела человека для определения наиболее комфортного проектирования рабочей позы в соответствии с заданными требованиями.

Кроме всего вышеперечисленного существует возможность наглядно продемонстрировать использование проектируемого объекта, в частности при эксплуатации, ремонте или утилизации.

 Выводы

По сути, промышленный дизайн – некая проектная деятельность, способная расширить ассортимент, а это, согласитесь, главное оружие в конкуренции. В развитых странах, промышленный дизайн является неотъемлемой частью промышленности.

Если сравнить отечественную продукцию и импортную, то в плане дизайна, первая будет уступать второй. В большинстве случаях «промышленный дизайн» нельзя применить к товарам отечественного производства, но это совсем не означает, что данные изделия уступает по каким – либо техническим характеристикам зарубежным. Большинство людей, выбирая ту или иную продукции, особое внимание уделяют внешнему виду. Научившись создавать сложнейшие приборы, мы пока не дошли до таких вопросов, как внешний вид, а также комфорт и удобство в использовании. А ведь дизайн дает почти неограниченные возможности видоизменения одного и того же изделия.

Не достаточное внимание к вопросам развития промышленного дизайна, приводит к снижению конкурентоспособности и вытеснению продукции с российских и мировых рынков. Предприятия в малой степени используют современные технологии дизайна, имеют низкую восприимчивость к инновациям, что приводит к несоответствию товаров для западных потребителей.

Главной ошибкой руководства предприятий является недооценивание промышленного дизайна в промышленности, а также незаинтересованность в продвижении промдизайна на своем предприятии [3].

Современное промышленное производство характеризуется высоким уровнем автоматизации поддержки принятия решений, широкой и постоянно меняющейся номенклатурой выпускаемой продукции, мелкосерийным типом производства и высокими требованиями к качеству конечного результата. Чтобы быть конкурентоспособным, сегодня производство должно быть эффективным, гибким, высокотехнологичным. Применение систем и технологий сквозного (комплексного) автоматизированного проектирования, производства и управления в промышленных процессах убедительно показывает их эффективность в  достижении качественного результата в сжатые сроки с оптимальными ресурсными затратами.

В условиях перехода к информационной экономике современное профессиональное образование всё больше приобретает черты современного промышленного производства: широкая и часто меняющаяся номенклатура основных и дополнительных образовательных программ, небольшая численность групп обучающихся, высокие требования к профессиональным компетенциям выпускников, компьютеризация обучения и управления образовательным процессом. Компьютерное обучение (E-learning),к  которому современный студент сегодня достаточно легко адаптируется, всё более активно преобразует  российское образовательное пространство, формируя основу для реализации новой образовательной парадигмы – «Образование через всю жизнь». E-learning сегодня – это обязательный этап для перехода к Smart Education, которое во многих странах стало стандартом де факто и основой Smart-экономики [1]. Сегодня многие преподаватели инженерных дисциплин ощущают нарастающий разрыв (противоречие) между уровнем организации, IT-обеспечения  и осуществления производственных и бизнес-процессов в промышленных компаниях и IT-обеспечением процесса обучения по фундаментальным дисциплинам профиля подготовки. Чтобы соответствовать требованиям современности,  профессиональное образование (особенно техническое) должно обрести черты непрерывного, быстро «переналаживаемого», гибкого, открытого, автоматизированного «производства». Уже многие преподаватели убедились, что применение автоматизированных средств и технологий в образовании также позволяет качественно изменить содержание, методы и организационные формы обучения, способствует раскрытию индивидуальных способностей студентов, повышает мотивацию и интерес к изучаемым знаниям.

Как уже было сказано выше, создание автоматизированных (компьютерных) обучающих систем по техническим дисциплинам, визуализирующих в достаточной мере объект изучения, представляет собой очень сложную программную, дидактическую, методическую задачи с достаточно высокими сроками и стоимостью создания. Это является причиной того, что до сих пор обучение по техническим дисциплинам может осуществляться на основе традиционных наглядно-иллюстративных методов и средств обучения. Вместе с тем уже есть информационные системы, в которых задача программной (мультимедийной) реализации динамической визуализации технических систем и технологических процессов уже решена. Это системы автоматизированного проектирования (САПР). Безусловно, изначально эти системы создавались не как обучающие системы. Но возможности манипулирования объектами в режиме реального времени, построение цифровых 3D моделей объектов от простых деталей до сложных машин, моделирование кинематических движений объектов и  различных видов их нагружения (динамическое, статическое, циклическое, термическое и др.)  делает возможным использовать САПР как мультимедийное дидактическое средство обучения. То есть САПР можно попытаться использовать как обучающую систему для «проведения» (демонстрации) компьютерного «эксперимента» над моделью реального объекта или процесса.

Как полагают авторы, актуальность данной работы определяется недостаточным пониманием преподавателями технических дисциплин дидактических возможностей  современных  САПР для обучения студентов по дисциплинам профилизации и, как следствие, отсутствием широкого применения мультимедийных возможностей САПР в учебном процессе (как в аудиторных занятиях, так и самостоятельной работе студента). Другими словами, сейчас в рамках общетехнических и специальных дисциплин по автоматизированному проектированию студентов на конкретных примерах учат тому, как работать в различных САПР, и, практически, мало учат тому, как использовать эти мощные информационные системы для получения новых знаний о технических объектах и технологических процессах при изучении инженерных дисциплин профилизации.

Компьютерные обучающие системы

Компьютерная обучающая система – это комплекс программно-аппаратных средств, электронных учебных, контрольных и методических материалов, которые обеспечивают взаимодействие преподавателей и обучаемых в процессе изучения дисциплины.

Основное назначение любой обучающей системы (в том числе и компьютерной) состоит в том, чтобы наиболее оптимально организовать процесс (желательно личностно-ориентированный и адаптивный) передачи обучаемому необходимых для формирования его профессиональной компетентности знаний, а также организовать эффективный (также личностно-ориентированный и адаптивный) процесс контроля в зависимости от степени подготовленности обучаемых и их способности усваивать полученную информацию. Достижения в области искусственного интеллекта позволяют сегодня перейти к созданию и использованию в профессиональном образовании экспертных обучающих систем [2] и кибер-преподавателей [3].

Как правило, все компьютерные обучающие системы применяют мультимедийные технологии обработки и отображения информации. По данным ЮНЕСКО при аудиовосприятии усваивается 12% информации, при визуальном около 25%, а при аудиовизуальном до 65% воспринимаемой информации [4]. Цель разработки и применения компьютерных обучающих систем (как любой автоматизированной  системы) – повышение качества обучения. Однако если индивидуальное отношение пользователя к компьютерным методам и средствам обучения или к конкретным программам равнодушное или отрицательное, то и эффективность обучающей программы резко снижается.

C точки зрения управления процессом обучения компьютерные обучающие системы можно разделить на две группы:

• к группе 1 можно отнести обучающие системы, в которых «системой управления» процессом обучения является сам обучаемый. Такие системы, чаще всего, имеют иерархическую структуру, в них учебный материал излагается линейно, в соответствии с логикой дисциплины, а разделы и темы содержат вопросы или тесты текущего (тематического, рубежного и т.д.) контроля. Так как программно «система управления» процессом обучения отсутствует, то за качество усвоения учебного материала отвечает сам обучаемый, и переход к последующим темам может быть осуществлен вне зависимости от результатов усвоения предыдущим тем. К этой группе можно отнести гипертекстовые учебники и пособия, электронные энциклопедии, лекции-презентации, видео- и аудио лекции.
• к группе 2 можно отнести те компьютерные обучающие системы, в которых программно встроена «система управления» процессом обучения. Такие системы, чаще всего, имеют сетевую структуру.  В конце каждого блока учебной информации обучаемому предоставляются проверочные компьютерные вопросы и задания. В отличие от систем первой группы, в данных системах ответы и действия обучаемого определяют дальнейшую траекторию его движения (обучения). Управление процессом обучения в компьютерных системах этой группы напрямую зависит от возможности адаптации системы под конкретного обучаемого. Обучающие системы данной группы бывают с линейной моделью обучения; с разветвленной моделью;  с адаптацией по форме изложения материала; с адаптацией по логике изложения материала; с адаптацией по объекту и целям обучения и др.

Как любые информационные системы компьютерные обучающие системы (КОС) имеют следующие виды обеспечения: техническое, программное и математическое, лингвистическое, информационное, методическое, организационное, правовое.

Техническое обеспечение КОС – это системно организованная совокупность технических средств (различные виды ЭВМ, сетевой оборудование, периферийные устройства), используемых для реализации процесса обучения и контроля в автоматизированном режиме без непосредственного взаимодействия преподавателя и обучаемого.

Программное обеспечение КОС – системно организованная совокупность общесистемных и прикладных программ, обеспечивающих автоматизированную реализацию процесса обучения и контроля результатов этого процесса.

Математическое обеспечение КОС – это системно организованная совокупность математических моделей и алгоритмов процессов обучения и контроля, формализованное описание технологии автоматизированного обучения и контроля.

Лингвистическое обеспечение КОС – системно организованная совокупность языков программирования, используемых в процессе разработки и эксплуатации  компьютерной обучающей системы для автоматизированного информационного обмена между обучаемым и системой.

Информационное обеспечение КОС – это системно организованная совокупность баз и банков данных, банков знаний, содержащих необходимую для обучения и контроля учебную, справочную и методическую информацию.

Методическое обеспечение КОС – это системно организованная совокупность документов (руководств), описывающих условия  эффективной и надёжной работы пользователей (преподавателей, методистов, администраторов, обучаемых) с обучающей системой.

Организационное обеспечение КОС -  это системно организованная совокупность административных документов, устанавливающих функции и права подразделений, взаимодействующих с обучающей системой.

Правовое обеспечение КОС – совокупность нормативно-правовых документов, определяющих создание, юридический статус и функционирование компьютерной обучающей системы, регламентирующих порядок получения, преобразования и использования учебной информации.

Особое место в компьютерных обучающих системах отводится графической визуализации учебного материала – схемы, анимированные модели, видеоролики. Это связано с тем, что, во-первых, визуальная информация, как было сказано выше, воспринимается лучше обычного текста или аудио информации (потому что является более “концентрированной”), а во-вторых, с тем, что всё увеличивающиеся объемы учебной информации в обычной текстовой форме просто “перегружают” мозг любого обучаемого и приводят к естественной защите – снижению и отключению внимания. Визуализация — это процесс представления данных в виде адекватного изображения с целью максимального удобства их понимания; придание зримой формы любому мыслимому объекту, субъекту, процессу и т. д.[5]. При визуализации учебного материала следует учитывать, что наглядные образы сокращают цепи словесных рассуждений и могут синтезировать схематичный образ большей «емкости», уплотняя тем самым информацию[5]. Особо серьёзное значение визуализация имеет в изучении технико-технологических дисциплин при моделировании различных технических систем, технологических процессов и процессов управления.

Системы автоматизированного проектирования

САПР – организационно-техническая система, входящая в структуру проектной организации и осуществляющая проектирование при помощи комплекса средств автоматизированного проектирования [6, с.4]. Цель применения САПР – повышение качества проектирования изделий и процессов в условиях промышленного производства. САПР изначально создавались и создаются до сих пор для автоматизации различных видов инженерной деятельности, снижения трудоёмкости, себестоимости и цикла изготовления выпускаемого изделия.

Как любые информационные системы, САПР также имеют следующие виды обеспечения: техническое, программное и математическое, лингвистическое, информационное, методическое, организационное, правовое.

Техническое обеспечение САПР – комплекс технических средств, служащих для реализации автоматизированного проектирования: подготовка и ввод данных, передача данных, обработка и защита данных; хранение и запись данных; отображение данных и результатов проектирования.

Программное обеспечение САПР – совокупность общесистемных и прикладных программ, осуществляющих и обеспечивающих процесс автоматизированного проектирования изделий и технологических процессов в полном объёме.

Математическое обеспечение САПР – это математические модели объектов проектирования, математические методы и алгоритмы решений задач, связанных с проектированием, а также формализованное описание технологии автоматизированного проектирования.

Информационное обеспечение САПР – это совокупность баз и банков данных, необходимых для автоматизированного проектирования изделий и технологических процессов (ГОСТы, обозначения, материалы и их свойства, оборудование и его технические характеристики, инструменты и технологическая оснастка, технологические режимы и т.д.).

Лингвистическое обеспечение – совокупность языков программирования, необходимых для реализации процесса автоматизированного проектирования.

Методическое обеспечение САПР – совокупность документов (справочные системы, обучающие видео ролики, руководства пользователей) , подробно описывающих действия различных категорий пользователей при работе в конкретной САПР.

Организационное обеспечение САПР – это совокупность руководящих документов, устанавливающих функции и права различных подразделений компании или предприятия, взаимодействующих с САПР.

Правовое обеспечение САПР – совокупность нормативно-правовых документов, устанавливающих юридический статус, разработку, передачу пользователям  и эксплуатацию САПР в рамках существующей законодательной системы.

Сегодня студенты машиностроительных специальностей технических вузов изучают следующие виды САПР:

• CAD-системы (Computer Aided Design Systems) – информационные системы автоматизированного проектирования изделий (3D модели, чертежи, конструкторская документация).
• CAE-системы (Computer Aided Engineering Systems) – информационные системы автоматизированных инженерных расчетов (прочность, деформации, вибрации и т.д.).
• CAPP-системы (Computer Aided Process Planning Systems) – информационные системы автоматизированного проектирования технологических процессов изготовления изделий и подготовки технологической документации.
• CAM-системы (Computer Manufacturing Systems) – информационные системы автоматизированного проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и подготовки программ для этих станков.

Работая в CAD-системе, студент создаёт цифровые макеты (3D модели) проектируемых деталей, которые, возможно, в натуральном исполнении ещё не видел в своей жизни и поэтому даже не представлял, как они выглядят. Современные CAD-системы позволяют манипулировать 3D моделью детали в режиме реального времени, проанализировать внешнюю форму детали, сделать простые, сложные или местные разрезы и увидеть внутренне строение детали.  Особенно эффективно создание цифрового макета (3D модели) сборочного узла. Сегодня при отсутствии достаточной довузовской технико-технологической подготовки (особенно в школах) многие студенты не представляют устройство даже самых простых и типовых деталей и механизмов машин, не говоря уже о какой-то специальной технике. При создании и анализе компьютерной 3D модели сборочного узла студент лучше, чем на обычном плакате, понимает место и назначение каждой детали в сборке, её взаимодействие с другими деталями. А наличие в CAD-системах встроенных модулей анимации позволяет смоделировать и лучше понять работу спроектированных (но ещё несуществующих) деталей и  узлов. С помощью анимации можно анализировать поведение кинематических механизмов и взаиморасположение деталей сборочных конструкций. Поэтому преподаватели общетехнических и профильных дисциплин, в которых изучаются детали машин, основы проектирования и конструирования, технологическое оборудование и оснастка и др., должны обязательно иметь навыки работы в современных CAD-системах  для создания, объяснения и визуализации учебного материала по своим дисциплинам.

Работая в CAE-системе, студент лучше изучает расчётные методы (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объёмов) решения инженерных задач, а динамическая визуализация результатов расчетов позволяет оценить, как «поведёт себя» компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации (нагружение, нагревание, вибрации), помогают убедиться в работоспособности изделия. Возможность перемещения и вращения модели детали на экране монитора ПК позволяет визуализировать и проанализировать будущее эксплуатационное состояние изделия более подробно. Традиционные области анализа включают в себя: анализ напряжений в деталях и сборках методом конечных элементов, анализ тепловых и жидкостных потоков методами вычислительной гидрогазодинамики, анализ кинематики механизмов, моделирование динамических механических взаимодействий, моделирование производственных операций (литье, прессование и проч.). Потому преподаватели общетехнических и профильных дисциплин, в которых изучаются теоретическая механика, сопротивление материалов, детали машин, работоспособность технологических систем и т.д., должны обязательно иметь навыки работы в современных CAE-системах  для создания, объяснения и визуализации учебного материала по своим дисциплинам.

Работая в CAPP-системе, студент создает модель технологического процесса изготовления изделия для производственных условий конкретного предприятия. Современные CAPP-системы имеют библиотеки оборудования, инструмента и оснастки (технические характеристики, фотографии, цифровые макеты, видеоролики). Выбирая станок, инструмент, оснастку студент визуально лучше представляет производственное технологическое оснащение, что способствует закреплению теоретических знаний по специальным дисциплинам. Для работы в CAPP-системе студент должен уметь работать в CAD-системах, так как цифровые макеты (3D модели) деталей машин помогают студенту лучше понять технологию изготовления этих деталей.

Работая в CAM-системе, студент создаёт модель процесса обработки изделия на станках с ЧПУ. Анимация компьютерных геометрических моделей обрабатываемой детали и инструмента позволяет студенту визуализировать и лучше понять перемещения инструмента в процессе обработки, смоделировать возможные столкновения инструмента и механизмов рабочей зоны станка с ЧПУ,  проанализировать свои технологические решения и достаточно быстро получить управляющую программу для конкретных стоек систем ЧПУ.

Следовательно, преподаватели технологических дисциплин должны обязательно иметь навыки работы в CAD/CAPP/CAM-системах для создания, объяснения и визуализации учебного материала по своим дисциплинам.

Заключение

Сегодня наибольший интерес в образовательном процессе представляют проблемно ориентированные программные комплексы, которые могут использоваться как инструмент формирования проектного решения. Как было показано выше, системы автоматизированного проектирования имеют аналогичную структуру, мощные средства динамической визуализации, как компьютерные обучающие системы. Во всех современных САПР есть встроенная, достаточно объемная, справочная система, а во многих – встроенные «азбуки» проектирования. В САПР автоматизированное проектирование выступает как инструмент закрепления старых и получения новых знаний по дисциплинам специализации (профилизации), а динамически визуализированные объекты проектирования сродни визуализированным объектам учебного материала в компьютерных обучающих системах. Таким образом, можно сказать, что современные системы автоматизированного проектирования в определенной мере выполняют функции компьютерных обучающих систем, за исключением функции автоматизированного контроля полученных знаний и навыков.

Модуль РЭА представляет собой сложную систему тел с множеством внутренних источников тепла. Точное аналитическое описание температурных полей невозможно из-за громоздкости задачи и неточности исходных данных. При ручном расчете используют приближенные методы анализа и расчета. Как правило, расчет производится для одного элемента, наиболее критичного по воздействию температур. Такой элемент обладает самой низкой положительной допустимой температурой среди элементов, образующих нагретую зону.

Анализ теплового воздействия на элементы систем является одной из важнейших задач проектирования. Для радиоэлектроники отклонение температуры от заданных диапазонов может привести к необратимым структурным изменениям элементов, изменением диэлектрических свойств материалов, ускорить коррозию материалов либо повысить их хрупкость. При проектировании электронных средств, с точки зрения теплового режима, необходимо учитывать не только собственную температуру элемента, но и влияние тепловых полей остальных элементов, коэффициент линейного расширения, теплопроводность и теплоемкость материалов. Любое изменение температуры относительно нормальной температуры уменьшает срок службы аппаратуры. Неверное размещение элементов, приводит к негативному тепловому режиму.

1.Подходы к реализации теплового моделирования

На стадии подготовки к тепловому моделированию необходимо адекватно оценить предстоящие затраты и требуемые нормы. При их несогласовании работа будет неэффективной; в худшем случае – неверно выполненной. Исходя из вышеизложенного, на первом этапе необходимо оценить: тип изделий, объем производства и возможность изменений проекта. На основе этих данных выбирается среда для теплового моделирования.

Во многих компаниях, занимающихся производством электронной аппаратуры, тепловое моделирование выделяют как отдельный этап маршрута проектирования изделия. Производители САПР динамично отзываются на требования этого рынка. Наблюдается разнообразие подходов к тепловому моделированию: компании изучают пути не только улучшения своего продукта, но и получения большей прибыли. Общим подходом является анализ методом конечных элементов. Его используют Simulate, ANSYS, Mentor Graphics. Российская разработка АСОНИКА использует метод критического пути.

ANSYS Icepak получает общий профиль рассеиваемой мощности и температуры, подключает библиотеки тепловых решений, имеет возможность задания граничных условий периода для теплового моделирования; FloTHERM позволяет инженерам создать математические модели для выполнения теплового анализа; Creo(Simulate) позволяет проводить идеализацию модели, задавая балочные и прочие идеализированные элементы, выполнять анализ установившегося состояния тепловых режимов, задавая стационарные температуры, условия конвекции в пространстве.

На следующем этапе рассматривается модель работы печатной платы: рабочие температуры компонентов, их геометрические параметры; виды теплообмена, типы теплоотвода и охлаждения. Происходит непосредственно моделирование тепловых режимов элементов, построение теплового поля изделия.

Последний этап подводит итоги моделирования: соблюдаются ли тепловые режимы, эффективен ли выбранный метод охлаждения.

Наравне с автоматизированным способом моделирования нагретой зоны существует способ расчета критического элемента. В таком «ручном» расчете система взаимодействующих тепловыделяющих и теплонагруженных элементов упрощается до расчета тепла элемента, обладающего самой низкой положительной допустимой температурой среди элементов ячейки.

2.Анализ задачи теплообмена ячейки методами ТРИЗ

Громоздкость задачи теплового моделирования обусловлено соответствием множеству факторов. Эффективность моделирования определяется используемым набором средств проектирования, типом изделия и объемом производства, возможностью адаптации под технологические изменения. При переходе от сложного к простому, задачу теплового моделирования можно представить как условие, требование и ограничение.

Таблица1. Формулировка задачи теплового моделирования

Тепловое поле платы определяется взаимодействием теплонагруженных и тепловыделяющих компонентов, от чего приходим к противоречию, обусловленным ограниченной площадью платы.

Рисунок 1. Противоречие

Слабым местом нагретой зоны являются теплонагруженные компоненты. Именно по ним можно судить об эффективности моделирования и надежности изделия. При рассмотрении задачи эффективного размещения на печатной плате теплонагруженных элементов были составлены дерево проблем и диаграмма Исикавы.

Рисунок 2. Дерево проблем

Рисунок 3. Диаграмма Исикавы

Исходя из рисунка 3, можно заключить, что основными причинами неэффективного расположения теплонагруженных элементов являются неверный выбор среды разработки, низкая квалификация разработчика, тип системы охлаждения и различное количество тепловыделяющих элементов. Выбор необходимого типа охлаждения может входить в систему расчета теплового поля платы, поэтому рассмотрим цепочку «5 причин» с оставшимися проблемами.

Рисунок 4. Цепочка «5 причин»

3.Концепция системы расчета теплового поля элементов

Сейчас на рынке САПР существует большой выбор инструментов для расчета тепловых режимов ячеек и элементов. Как уже было сказано, их алгоритмы являются закрытым кодом и они не могут быть внедрены в более простые системы проектирования. Решением этой проблемы являются узкоспециализированные продукты, решающие только одну задачу.

Продукты «тяжелых» САПР предлагают широкие возможности разработчикам. Для простых проектов они являются дорогими, требующими большой вычислительной мощности процессора. Если задачу удачного моделирования нагретой зоны сформулировать в ключе соответствия главному критерию, то система расчетов упрощается.

Автономная система решает проблему интеграций между многочисленными средствами теплового моделирования различных САПР. В небольших проектах нет необходимости в аппроксимации до структуры элементов. Используя информацию о структуре платы, можно отойти от разбивания ячейки на области. Для системы расчета тепловых режимов элементов печатной платы необходима реализация широкой библиотеки элементов, их характеристик, взаимодействия; подбор под геометрические параметры, проводники, теплоотводы.

Такая программа расчетов будет актуальна для студентов технических специальностей и начинающих разработчиков: в отличие от «тяжелых» САПР, разработкой может заняться любой без подготовки в специальных областях физики. Использование стандартных теплофизических значений из таблиц также снижает требования к квалификации разработчика, что является решением одной из проблем выявленных во второй части этой статьи. Упрощенный интерфейс расчета тепловых нагрузок и построения распределения тепла позволяет использовать более простые процессоры. Результат моделирования представляется как предложение по оптимальному размещению элементов, в котором будет учитываться температура элемента, тепловое воздействие соседних элементов и теплоотвод по плате. Таким образом, задача сводится к расчетам тела поверхности каждого элемента.

                                                                                Богатыри …!

М.Ю.Лермонтов. «Бородино».1837

 ( Хроника и апофеоз вычислительной технике и компьютеру от лица первого поколения пользователей)

За последние лихие  20-ть лет “перестройки” существенно понизился  производственный потенциал отечественного машиностроения, в том числе и в равной мере, это относится  и ко многим предприятиям тяжёлого машиностроения. Например, сегодняшний уровень производственных  возможностей Уралмашзавода несоизмеримо и резко контрастирует с достославным периодом 50-х – 70-х  годов прошедшего столетия – временем максимальной активности трудового коллектива и, в частности, конструкторских подразделений завода.

Отмеченные годы – это “золотой век”, ренессанс конструкторской, научной и производственной деятельности Уралмашзавода – авторитетнейшего,  знаменитого ( к сожалению, уже в прошлом ) и уникального предприятия отечественного тяжёлого машиностроения. В этот замечательный период были созданы самые высокопроизводительные и впервые в мире автоматизированные блюминги 1300 (1964г.), построена в цехе № 36 Уралмашзавода опытно – промышленная установка непрерывной разливки стали ( УНРС ) радиального типа (1964г.), а в дальнейшем введена в эксплуатацию УНРС криволинейного типа (1968г.) на Нижне – Тагильском меткомбинате ( НТМК ), были созданы проекты и построены термоотделения для закалки рельсов на НТМК (1968г.) и на Кузнецком меткомбинате (1978г.), создан первый отечественный автоматизированный универсально – балочный стан на НТМК (1977г.), разработан эффективный проект унификации оборудования всех обжимных станов Союза и осуществлена реконструкция многих из них¹, а также выполнено много других оригинальных конструкторских разработок станов холодной прокатки, прессового, горного и бурового оборудования.

Именно в этот замечательный период интересных и увлекательных конструкторских работ, в начале 60-х годов, и были сделаны первые, весьма скромные шаги в применении электронно  –  цифровых   вычислительных   машин  ( ЭВМ или ЭЦВМ ),  в  частности,  для   решения математических задач, возникающих в процессе проектирования прокатного оборудования, которые ( шаги) постепенно, в своей совокупности, сформировали  крепкую основу  для  создания будущей системы автоматизированного проектирования ( САПР)².

Жизнь движется со всё большей скоростью ( чем больше возраст, тем выше скорость), и прошло уже почти 50 лет с начала  наших работ с ЭЦВМ, и что-то уже окончательно потеряно памятью, поэтому желательно оставить надёжный след на бумаге, о том какие мы были… Богатыри (!).

Прежде всего, необходимо обратить внимание на следующее обстоятельство. Мы- будущие инженеры-механики – студенты 50-х годов, проходя «свои университеты», не изучали ( если мне не изменяет память) самостоятельных ( среди основных дисциплин) или специальных курсов ни по вычислительной технике, ни по программированию. И, естественно, имели лишь поверхностные представления об этих научных новациях, скорее всего, на уровне « звона». Так что ЭЦВМ была для нас абсолютный « кот в мешке». К этому времени в моём активе имелась только прочитанная книга Н.Винера «Кибернетика и общество», которая, видимо, серьёзно повернула мои мозги в направлении ЭВМ и автоматизации. Книга вызвала у меня большой интерес и я почувствовал, что кибернетика – это наука будущего и этим следует заниматься. Кроме того, у меня было « математическое окружение» в лице моей сестры – Э.В.Смирновой и её подруг, одних из первых программистов – научных сотрудников  Свердловского отделения  Математического института им. В.А.Стеклова АН СССР ( сейчас- Институт математики и механики УрО РАН Екатеринбурга – города огромного и высочайшего научного интеллекта в описываемый временной период ), которые в определённой мере оказали влияние на мои профессиональные интересы. Поэтому и первым моим настольным  пособием по программированию становится книга авторов А.И.Китова и Н.А.Криницкого «Электронные  цифровые машины и программирование».

Эволюционный процесс накопления практического опыта в работе с ЭВМ³ естественно формировался по индуктивному методу: от простых задач –  к более сложным. Первая «встреча» с ЭВМ «Урал-1» у меня состоялась в 1962г. на предмет решения трансцендентного алгебраического уравнения. Познакомил меня с «Урал-1» и его атрибутами и оказал первую помощь в освоении программирования математик- программист уважаемый Г.А.Джапаридзе – спокойный, терпеливый и достаточно эрудированный специалист.  По существу, он  и  составил  первую программу  для  ЭВМ  с  моим небольшим участием ( точнее- эпизодическим присутствием и наблюдением ), за что выражаю ему искреннюю благодарность и признательность. В дальнешем  «Урал-1» применяли  для  решения  систем  нелинейных  уравнений  невысокого порядка и аппроксимации различных экспериментальных данных, используя методы, замечательно и просто изложенные  в  книге  А. Н. Крылова –  «Лекции о приближенных вычислениях ».

Я хорошо помню большой  зал Вычислительного Центра (ВЦ) Уралмашзавода, плотно заполненный однотипными шкафами, образующими ЭВМ «Урал-1», постоянный раздражающий гул и шум АЦПУ ( устройств ввода и вывода информации ) и громадные электронные лампы, которые в упаковке носили на своих плечах электронщики.

Создание проекта архитектуры будущей системы САПР, конечно, не предполагалось и не планировалось.Да и слово – «САПР» было для нас неизвестным.  И разговоров о такой системе не было и не могло быть в те времена. Всё начиналось с конкретных расчётных конструкторских работ с применением ЭВМ, ведь мы были в составе огромного завода и «фантазиями и прожектами» не занимались. Вобщем, мы не были архитекторами будущей компьютерной системы и никакого проекта не разрабатывалось.

Главная цель начала работ по применению ЭВМ при проектировании заключалась в повышении качества проектных решений, как в области применяемых технологий, так и в  реализующих их конструкциях, так как ЭВМ позволяет применять в расчётных методиках (математических моделях) современные и  более сложные аналитические и численные методы (нереализуемых при ручных расчётах), обеспечивающие повышенную точность, достоверность и информативность расчётов, а значит-и собственно качество проектируемого оборудования. При  этом использование ЭВМ позволяет минимизировать объём расчётных работ выполняемых вручную, а в дальнейшем полностью их исключить.

Так объективно сложилось, что дальнейшее наше освоение ЭВМ и программирования было вызвано также необходимостью выполнения абсолютно новых для нас экспериментальных научно-исследовательских работ, связанных  с освоением и совершенствованием систем автоматизации спроектированного и изготовленного Уралмашзаводом самого высокопроизводительного в мире блюминга 1300 завода «Криворожсталь» и, особенно, с созданием систем с Управлящими вычислительными машинами ( УВМ ). Но  в преддверии начала этих практических работ (1964г.) посчастливилось близко познакомиться с современными математическими основами теории оптимального управления.

В начале 60-х годов нам – «простым и смертным» становятся известными ряд монографий отечественных и зарубежных математиков ( акад.Л.С.Понтрягин, открывший в 1956г. всемирно известный «принцип максимума», и американский математик Dr.R.Bellman, опубликовавший в 1957г. свои работы по методу  «динамического программирования»), посвящённых математической теории оптимальных процессов. В это же время в г. Москве прошёл международный математический конгресс ( где присутствовал Dr.R.Bellman ), отдельная секция которого была посвящена математическим проблемам оптимизации систем. Исследования по теории оптимального управления, естественно, были инициированы и, в первую очередь, отвечали интересам разработчиков ракетно-космических комплексов и атомной энергетики. Эти работы становятся весьма «модными» и достаточно часто начали появляться публикации по решению прикладных инженерных задач ( но, главным образом, экономических ) с использованием различных методов оптимизации ( в основном – линейного программирования) и даже появились научно-популярные издания, например, брошюры проф.Е.С.Вентцель.

Автор статьи по отношению к этим методам также не безгрешен. Началу наших работ по оптимизации способствовали знакомство ( а в дальнейшем – и  сотрудничество) и влияние обоятельного, эрудированного и весьма креативного учёного – В.А.Святославского ( в тот период-заведующего отделом ВНИИЭлектропривод, г. Москва), под руководством которого проводились совместные работы по созданию алгоритмов систем управления механизмами блюминга с помощью УВМ. Совместно с математиком – программистом Ю.Д.Макаровым были теоретически решены и на ЭВМ получены численные результаты ряда задач, связанных с  оптимизацей режимов управления  электроприводами прокатного оборудования. Например, на основе  принципа  максимума были решены задачи по поиску оптимальных по быстродействию⁴ переходных процессов и режимов управления в безынерционном электроприводе постоянного тока при постоянном или переменном моменте статических сопротивлений, а также в инерционной электромеханической системе с учётом упругости, и ряд других практических задач важных для проектирования и эксплуатации [1]. Эти решения частных задач оптимального управления затем вошли составным элементом в последующие решения крупных проблем по оптимизации технологических параметров и режимов управления на реверсивных и непрерывных станах горячей прокатки сортовых и листовых заготовок [1]. Вообще, поиск оптимальных решений ( т.е. применение современных строгих математических методов ) – это естественная инженерная черта,  получил отражение почти на всех последующих показанных ниже  пакетах компьютерных программ ( КП ).

С 1962г. начались ( совместно с ВНИИЭлектроприводом) экспериментальные и теоретические работы, направленные на создание технологических основ алгоритмов управления, применительно к первой в отечественной металлургии  системе комплексной автоматизации самого высокопроизводительного в мире блюминга 1300, в том числе, и для системы с  УВМ  «ВНИИЭМ-3». Разработка систем автоматического управления и, особенно, создание впервые в отечественной металлургии системы с УВМ, выдвинули ряд новых, сложнейших  в математическом отношении научных и серьёзных технических задач, абсолютно несвойственных инженерным и констукторским кадрам существующей на Уралмашзаводе системы проектирования прокатного оборудования. Но поскольку задачи касались технологий и их реализующего оборудования изготовляемого Уралмашзаводом, мы « ничтоже сумняшеся» ( ибо были не в состоянии адекватно оценить всю глубину трудностей и сложностей стоящих задач) смело приступили к их решению. Руководством была одобрена наша инициатива.

После пуска блюминга в эксплуатацию (октябрь 1964г.) первая задача поставленная перед нами состояла в том, чтобы параллельно  проведениям экспериментальных работ связанных с автоматизацией, всеми научными методами способствовать скорейшему достижению проектной производительности. Т.е. вышеуказанные задачи и многие другие требовали полной и достоверной информации в реальном масштабе времени.

Нами  была предложена структурная схема информационной системы на основе двух УВМ «ВНИИЭМ-3» – средства получения представительных массивов точной и надёжной научной информации, требуемой для  построения математической модели объекта автоматизации и разработки алгоритмов управления. Такая система была спроектирована организациями – участниками проекта, была смонтирована (1966г.) и являлась первой в отечественной металлургии информационной системой на основе вычислительной техники ( подробнее см. [2] ).

Первооснову математического обеспечения информационной системы образовали комплексы программ автоматизированного сбора, предварительной обработки и накопления информации и  программ по математической статистике, на уровне теории случайных величин и случайных процессов, создание которых мы приняли на себя. Разработка алгоритмов и программ (совместно с ВЦ Уралмашзавода, применительно в ЭВМ «Урал-4») по математической статистике была закончена в 1968г. в объёме следующих программ: статистического анализа, одно – и двухфакторного дисперсионного анализа, двумерного и многомерного линейного и криволинейного ( на основе метода D.B.Brandon ) регрессионного анализа, а также выбора шага квантования по времени, вычисления корреляционной функции и спектральной плотности мощности и других параметров марковских стационарных эргодических случайных процессов ( ответственные исполнители Ю.Д.Макаров, Ф.М.Карлинская, в дальнейшем – Н.Г.Белявина и ряд сотрудников ВЦ )[3]. Удивительно, но это факт, что созданный комплекс алгоритмов и программ был вторым пакетом программ по математической статистике, созданным в Советском Союзе, тогда как первый пакет был впервые разработан в Ленинградском институте Арктики и Антарктики (ЛАА НИИ)[3]. Комплекс этих программ в течение почти 30-ти лет последовательно переводился в ВЦ Уралмашзавода  на системы команд ЭВМ: Минск – 2, Минск – 22, ЕС – 1020 (и 1060) и, наконец, на персональный компьютер “ЭBM”, что дополнительно подтверждает корректность математических постановок, высокую устойчивость, надежность, работоспособность и широкие прикладные возможности созданных алгоритмов.

Программы по статистике и другие статистические методы [1] применялись для обработки и анализа экспериментальной информации при  решении многообразных задач автоматизации, при исследованиях процесса прокатки на блюминге1300, механо – и электрооборудования и систем их регулирования, при создании ряда автоматических систем программного управления  динамически нагруженными механизмами (первые прообразы мехатроники). Пожалуй, впервые  в прокатном производстве, да и в отечественной металлургии, так широко и разносторонне были применены статистические методы. Созданные программы в течение трёх десятилетий (до появления зарубежных разработок) были популярны и во всех научных и конструкторских подразделениях  Уралмашзавода и широко применялись при проведении многочисленных экспериментальных работ, для создания методик расчёта процессов и машин и даже для решения ряда серьёзных производственных проблем и, кроме того,  нескольких задач по медицине, имевших место в моей практике.

Обширными комплексными статистическими исследованиями математически строго было доказано ( подробно см. [2] ), что процесс прокатки на блюминге является нестационарным, стохастическим, многофакторным процессом, деформационные, энергосиловые, скоростные, временные и динамические параметры которого представляют собой случайные величины, имеющие собственные, часто «ненормальные» функции распределения. С позиции автоматизации, этот процесс обладает свойством дискретности, является нестабильным (даже на высоком уровне производительности), с ограниченной наблюдаемостью, т.е. функционирует в условиях неполной информации, при этом влияние случайных возмущений на процесс прокатки существенно. Все вышеотмеченные особенности были максимально возможно учтены при формировании математической модели, содержащей совокупность статистически достоверных уравнений регрессии с оценками точности и надёжности, для построения которой и максимизации целевых функций были применены принципы системного анализа и строгие методы математической теории оптимальных процессов.

На основе созданной модели был разработан (исполнитель Ю.Д.Макаров ) пакет  компьютерных программ (КП)  для оптимальных распределений  обжатий по пропускам (выбор схем и режимов прокатки) методом динамического программирования Р.Беллмана и максимальных скоростей (или ускорений), а также для обоснования параметров оборудования и приводов, который  на протяжении более трёх десятилетий систематически применялся в расчётной практике при проектировании  новых и реконструкции действующих реверсивных и непрерывных станов горячей прокатки.

Выполненные научные работы по оптимизации технологии прокатки обосновали целесообразность проведения некоторого совершенствования оборудования,  реализация которой способствовало надёжному достижению высокой проектной производительности блюминга, а автоматическим системам, на уровне жёсткого программного управления, при высоком уровне организации производства, реально обеспечить годовую производительность в объёме 5,5-5,7 млн.т. по всаду.

Созданный пакет КП по оптимизации технологии и оборудования был успешно применён при разработке эффективного проекта «комплекса унифицированного механо – и электрооборудования участка рабочей клети обжимных станов» ( инженер проекта- А.Г.Семовских ), реализация которого обеспечило значительное сокращение сроков проектных работ, снижение себестоимости изготовления, а также сформировало резерв повышения производительности обжимных станов.

В связи с автоматизацией блюминга было также создано несколько сопутствующих КП по расчёту  и оптимизации кольцевых  схем  транспортировки  заготовок  и  проката, по оптимизации рычажных механизмов, ведомое (исполнительное) звено которых  должно воспроизводить требуемую форму траектории или обладать определённой линейной скоростью при заданном перемещении  и ряд других  разработок, направленных на повышение качества и культуры проектирования и эксплуатации.

Итак, работы по автоматизации блюминга 1300 заложили первый и весьма солидный «краеугольный камень» в фундамент будущей САПР, и явились успешным началом по формированию этой системы.

Одна из важнейших, но сложных задач стоящих перед любым конструктором заключается в обеспечении прочности деталей и надёжности  проектируемой машины. И, несомненно, в этом направлении применение ЭВМ и современных численных математических методов, обеспечивающих дифференциальную картину напряжённости в любых сечениях  детали и их точках, является актуальной и весьма прагматичной задачей.

С целью повышения статической несущей способности тяжелонагруженных деталей и конструкций сложных конфигураций и их термостойкости, при работе в условиях интенсивных, нестационарных тепловых воздействий, их оптимизации и построения параметрических рядов и, в конечном итоге, – для повышения надёжности проектируемого оборудования, нами, в середине 70⁵-х годов, совместно с Пермским политехническим институтом,  были разработаны математические постановки и пакеты КП  для решения на ЭВМ краевых задач теории упругости в перемещениях, в плоской и объёмной постановках, методом конечных элементов (МКЭ) для исследований напряжённо-деформированных (НДС) и термоупругих состояний (ТУС) областей сложных геометрических форм.

Работоспособность, достоверность и эффективность КП доказана на тестовых примерах и сравнением результатов расчётов с экспериментальными исследованиями, а также более двухдесятилетним периодом  выполнения многочисленных расчётов при проектировании прокатного, горного, бурового и другого металлургического оборудования ( подробнее см.[1] ). Все пакеты программ переданы и зарегистрированы в ГОСФАП СССР [1].

Кроме того, для оформления результатов исследований НДС и ТУС ( в том числе и статистических) было разработано программное обеспечение, позволяющее выполнять на графопостроителе “BENSON-2320” ВЦ Уралмашзавода различные виды рисунков, на которых показываются напряжённое и деформированное или  термоупругое состояния и температурные поля всей конструкции или её фрагмента, а также построенная сетка КЭ и система граничных условий.

Созданные программы были успешно применены для исследования на ЭВМ НДС станин закрытого типа ( также с целью анализа и обобщения опыта предшествующих поколений конструкторов в проектировании сложных фундаментных деталей ) станов горячей и холодной прокатки ( в том числе с учётом концентраторов напряжений), универсальных шарниров с вкладышами скольжения ( исполнитель – И.Ф.Волегов ), тяг различных конструктивных исполнений  (исполнитель – А.П.Поляков) и многих других несущих деталей и сложных конструкций ( подробнее см. [1] ). На основе результатов  исследований НДС созданы унифицированные конструкции станин  и построены параметрические ряды тяг и универсальных шарниров, впервые содержащие оценки нагрузочной способности каждого типоразмера, а для последних разработан и утверждён новый ГОСТ 8059-83. Применение процедуры планирования численных экспериментов на ЭВМ ( представляя  модель детали в формате МКЭ ) и многофакторного статистического анализа  позволило получить эффективные для проектирования   уравнения множественной регрессии с оценками точности и надёжности для зависимостей максимальных величин эквивалентных напряжений и перемещений ( оптимизируемые параметры ) как функции конструктивных параметров детали. Такие уравнения получены для  станин заготовочных и листовых станов горячей и холодной прокатки, универсальных шарниров и тяг.

Были  выполнены компьютерные исследования ТУС термонагруженых сложных конструкций прокатных цехов ( исполнитель – А.Ф.Трусов): слитковозов, линеек манипулятора, суппортов ножниц и ряда других деталей, на основе результатов которых созданы новые конструкции, успешно работающие в настоящее время [1].

Новые конструкторские решения для многих ответственных несущих деталей были разработаны благодаря многолетнему тесному творческому контакту с конструкторами: С.Н.Красносельским, Ю.К.Панкратовым, А.К.Филатовым, Н.К.Корякиным, Ю.П.Чистяковым, А.И.Госьковым, А.В.Гладковым, А.Н.Сулимовым и с многими другими. Автор выражает им искреннюю признательность и сердечную благодарность.

Высокая информативность результатов проявилась в исследованиях НДС деталей и конструкций четырёхвалковых листовых прокатных станов. Были исследованы НДС валковых систем станов «кварто» ( с оценкой концентраторов напряжений в области галтелей рабочих и опорных валков), результаты которых позволили выполнить сравнение эффективности различных систем противоизгиба.

Следующая достаточно интересная и сложная разработка, которая оставила неприятные ощущения и воспоминания, вследствии ограниченности необходимой исходной экспериментальной информации, что  в дальнейшем, при обсуждении результатов, вызвало много нервных, но безрезультатных споров. С целью получения оценок достоверности расчётов поперечной разнотолщинности и диапазона её изменения было проведено исследование взаимодействия рабочего и опорного валка с учётом сил трения скольжения рабочего валка вдоль образующей опорного. Отличительная особенность и новизна математической постановки задачи заключалась в применении МКЭ к решению контактной задачи теории упругости для тел сложной формы [1]. В результате было доказано, что учёт сил трения даёт более достоверную величину разнотолщинности. А в дальнейшем появилась публикация экспериментально подтвердившая наличие сил трения скольжения  между рабочим и опорным валками в  направлении их продольной оси применительно к станам горячей прокатки.

На основе созданных пакетов КП выполнено много других практических исследований с неизменным получением новых  эффективных конструкторских и технологических решений [1].

Следует особо обратить внимание на  следующий немаловажный и радующий факт, которого явно не хватало для приятных ощущений полноты счастья и успеха при выполнении таких многотрудных и трудоёмких исследований: несмотря на то, что большинство типовых деталей оборудования прокатных станов проектировались на протяжении нескольких столетий отечественными и зарубежными конструкторами и, казалось бы, должны иметь оптимальные конструктивные параметры, применение современного математического аппарата – численных методов и ЭВМ, выявило ряд новых важных особенностей, реализация которых позволила достичь высокого уровня совершенства конструкций, в том числе и эстетического. И многолетняя практика применения созданных пакетов прикладных КП для проектирования широкой гаммы разнообразных деталей и конструкций сложных конфигураций действительно убедительно доказала реальность  достижения прекрасного –  красоты компьютерных конструкторских решений (см.[1] )!

На основе решения ряда теоретических задач по оптимизации и опыта совершенствования режимов работы электроприводов механизмов блюминго 1300, в конце 70-х годов, используя  методы  идентификации и регистрацию параметров электропривода ( как исходной информации),  впервые были созданы⁶ КП  для определения величины постоянной времени привода, махового и статического моментов (постоянных и переменных ) для любых машин и механизмов прокатного оборудования и сформировалась математическая постановка для определения суммарного зазора (люфта) в механических системах и в зубчатых передачах. Эти разработки имеют большое значение для  качественной наладки  и совершенствования режимов функционирования электроприводов и динамики ( т.е. срока службы ) механооборудования.

В начале 80-х годов, в связи с проведением теоретических и экспериментальных исследований процесса правки рельсов⁷, с целью повышения качества технологии и конструкций правильных машин, совместно с Пермским политехническим институтом ( Ю.И.Няшин) была создана современная научная методология исследования  и оптимизации НДС профиля при правке, основанная на решении МКЭ объёмной стационарной изотермической задачи упругопластичности, и разработана КП для расчёта дифференциальных и интегральных параметров процесса знакопеременного изгиба рельсов и других фасонных профилей. Программа позволяет вычислить компоненты  векторов перемещений, тензоров напряжений и деформаций и их распределение в любой точке подвергаемого правке профиля; распределение остаточных напряжений и величины конечной кривизны и многие другие параметры. С помощью КП выполнены численные и параметрические исследования  некоторых аспектов применяемых на НТМК технологий правки, в результате которых обоснован ряд технологических и конструктивных рекомендаций, в частности, предложен оптимальный режим правки термоупрочнённого рельса, уменьшающий конечную кривизну примерно в 25 раз и показана целесообразность автоматизации правильного комплекса – микропроцессорной программной системы.

В середине 80-х годов, в связи с разработкой малоотходных и менее энергоёмких технологий производства заготовок и фасонных профилей, совмещаемых с машинами непрерывного литья, и реализуемых при реконструкции обжимно-заготовочных комплексов, были созданы две очень информативные КП для исследований НДС обода железнодорожного колеса в процессе его осадки и НДС непрерывнолитого сляба  при его прессовании в двух взаимно перпендикулярных  направлениях ( исполнитель – Б.М.Беккер). Результаты  применения  этих  программ  способствовали  более  точному обоснованиютехнологических параметров и выбору конструктивных параметров оборудования.

Но не все работы были успешными. Были и неудачи. Например, у меня всегда была мечта ( которая, к сожалению, так и  останется только мечтой ) построить комплекс КП для поиска оптимальных структур ( кинематических схем )  рычажных, а может быть и любых механизмов, базируясь на методах идентификации, при внешней нагрузке, задаваемой в форме статистических оценок  по величине и времени ( в частности, корреляционной функции). Но попытка создать ( 70-е годы ) программу для решения соответствующего интегрального уравнения с заданной точностью не «увенчалась успехом». Видимо, возможная причина заключалась в весьма ограниченных технических возможностях применяемой в то время ЭВМ «Минск- 22». В этой научной работе и в ряде других, сугубо прикладных научных исследований, плодотворно контактировали с Д.Я.Шараевым (Уральский госуниверситет)-математиком широчайшей эрудиции, первым программистом г.Свердловска (Екатеринбурга), с Ю.В.Денисовым (Уральский политехнический институт,УПИ)  и их вклад в создание эффективных КП весьма значителен (например,  комплекс программ для расчётов плотности вероятности случайной долговечности, вероятности разрушения и ресурса деталей [1] ).

Итак, вся совокупность выше приведённых компьютерных программ и многие другие компоненты [1], созданные в 70-е годы прошедшего столетия, главным принципом разработки которых всегда были: корректная физическая и математическая постановки  задачи и строгие математические методы  реализации её решения  на ЭВМ, по нашему мнению, являются представительным комплексом современных средств качественного проектирования  технологий и оборудования прокатных станов и могли бы вполне сформировать надёжную основу эффективной САПР.

Следует особо отметить, что большинство работ и достижений по созданию САПР и внедрению их результатов в конструкторскую практику, с разработкой новых, более надёжных несущих деталей и сложных конструкций, выполнены на протяжении не более 20-ти лет ( начало 60-х- начало 80-х годов ) и осуществлялись в условиях относительной свободы творчества, в атмосфере доверия, доброжелательства и взаимопонимания, только лишь благодаря опыту, интуиции, дальновидности и личностных качеств  Главного конструктора прокатного оборудования  – Георгия Лукича Химича и его заместителя по станам горячей прокатки – Константина Варфоломеевича Корякина. Их, как правило, позитивное отношение к деловой и творческой активности и инициативам и, в частности, к применению ЭВМ на разных этапах процесса проектирования, способствовали успехам в нашей работе. Конечно, все душевные слова благодарности и признательности надо было бы высказать лично, но…по объективным житейским обстоятельствам  («суета сует»!) этого сделать, к сожалению, не удалось. Огромная им благодарность и вечная память.

В мае 1986г., находясь в кабинете Главного конструктора ( ранее произошли существенные изменения в руководстве отделом ), я предложил организовать самостоятельное подразделение САПР, с целью разработки пакетов программ по проектированию на ЭВМ типовых деталей и узлов машин, проведения обучения конструкторов основам САПР и овладения ими навыками в работе на компьютере.  Реакция была удивительная, но показательная: злой саркастический смех, сопровождаемый возгласом: «Что он предлагает? Как это можно спроектировать редуктор на вычислительной машине?!. Чушь полная!!!». Вот такая была «картина маслом».  Я понял что, «лучше ужасный конец – чем ужас без конца»! Я устал постоянно  доказывать, что «Ты – не верблюд». И мне вновь напомнили, что «инициатива – наказуема»! Меня пригласили работать в другой отдел. А с мая 1989г. я перешёл работать в университет.  Поэтому мне не известна судьба наших разработок, как не известна  судьба огромного, более чем 60-летнего,  конструкторского архива прокатного отдела и завода, аккумулирующего опыт, овеществлённый в многочисленных чертежах уникальных машин и оборудования, созданных несколькими поколениями талантливых инженеров и рабочих, а также многих научных ( в том числе – программных разработок ), потеря которых адекватна падению производственного,  конструкторского и научного потенциала завода, усугубляемого  исчезновением наиважнейшего принципа для профессии конструктора – преемственности поколений.

В лихие 90-е годы в «огне перестройки» было вновь  «разрушено до основания» много производств, и не исключено и не удивительно, что в эти жернова попали и многие научные проекты. Именно в этот период на необъятный российский рынок хлынул неудержимый поток  зарубежных  компьютерных программ (а также персональных компьютеров “IBM”) и графических пакетов, который, естественно, «задавил» российские подобные разработки. Поэтому не трудно представить судьбу наших САПРовских трудов. Многолетние компьютерные наработки, которые создавались энтузиастами в условиях «бега впереди паровоза», когда мы неудержимо выдвигали новые инициативы, тем самым творили себе новые трудности и мужественно с нервотрёпкой их преодолевали, «канули в Лету». Так что информация о наших разработках сохранилась, в основном, в научных публикациях, в диссертациях ( в шести кандидатских и одной докторской), в не менее 15-ти авторских свидетельств  и…в головах наших коллег, высокий профессионализм которых ( достигнутый благодаря самостоятельным работам над созданием сложных КП  ) уверенно гарантировал им возможность быстрого освоения зарубежных компьютерных программ и получение надёжного «рабочего» места.

Всё – таки будем надеяться, что «рукописи не горят» и труды наши «восстанут из пепла»!

___________________________________________________________________________

¹ в соответствие с моей специализацией ниже приводятся конкретные примеры,  касающиеся  проектирования оборудования  только станов горячей прокатки («век всё более прогрессирующей узкой специализации»!).

²Cо времени тех первых шагов минуло более 50 лет, и автору, принимавшему участие в разработке первых алгоритмов и программ,  трудно вспомнить все подробности и всех участников начального этапа построения САПР. Поэтому автор не ставит перед собой задачи  дать подробное описание  всех аспектов создававшейся системы. Но определённые конкретные разработки автор попытается отразить в данной статье.

³Автор, как свидетель более 50-летней эволюции ЭВМ, перед глазами которого прошли многие и довольно частые смены их отечественных поколений ( от «Урал-1 до персональных ЭBM), имеет достаточно оснований для аргументированной оценки этапов развития САПР,  в период 60-80-х годов прошедшего века.

⁴Принимаемые критерии оптимальности в этих и последующих задачах – максимальное быстродействие или минимальный  (заданный) нагрев двигателя соответствовали принятой в то время главной цели  экономической политики – максимальная производительность любых технологических процессов, машин и агрегатов

⁵   К слову, первые КП, реализующие МКЭ, появились, если довериться Интернету, в середине 70-х годов в США (разработки NASA).  Так что, мы тоже «не лыком шиты» и « щи лаптем не хлебали», а были в «теме» и на уровне (относительно того, что мы делали одновременно с передовым «западом»).

⁶Разработчик алгоритмов и программ – инженер – математик В.Я.Гольденберг. Выражаем ему искреннюю признательность и благодарность.

⁷Между прочим, при проведении экспериментальных исследований процесса правки рельсов в производственных условиях НТМК впервые была применена телеметрическая система передачи сигналов, с установленных на движущихся рельсах тензодатчиков, на регистрирующую аппаратуру ( В.И.Паутов, УПИ).

Любая швейная САПР – это комплекс программ и технических средств, предназначенных для автоматизации работы художественного характера, связанных с разработкой эскизов планируемой коллекции, а также с автоматизации наиболее трудоемких этапов (проектирование базовых и модельных конструкций, градация лекал, изготовление раскладок лекал, расчёт технико-экономических показателей и т.п.) [1].

В САПР одежды реализованы как приближённые, так инженерные методы. Инженерные методы используются в системах трехмерного проектирования, приближенные – в двухмерных. Большая часть современных САПР одежда ориентирована на построение чертежей приближенными методами конструирования.

Признанными мировыми лидерами в области автоматизированного проектирования одежды являются LECTRA, GERBER. В большинстве популярных САПР реализованы параметрические методы, предполагающие возможность построения чертежей или трехмерных форм с их последующим редактированием в соответствии с установками проектировщика [2].

Чтобы удовлетворять всем требованиям промышленного производства, швейные двухмерные САПР, которые используют традиционные методы проектирования, имеют следующие возможности:

1. Создание и быстрое изменения базы данных;

2. Корректирование информации;

3. Формирование и редактирование алгоритмов в различной форме;

4. Использование чертежей и конструктивного моделирования;

5. Редактирование параметров готовых лекал;

6. Выполнение раскладки лекал;

7. Распечатка лекал в любом масштабе;

8. Хранение необходимой технической документации производственного процесса.

Во время выбора САПР необходимо осознавать ее цели и учитывать тип производства.  Для серийного производства плюсом будет сокращение сроков выпуска новых моделей, повышение точности градации лекал, расчет оптимальных раскладок. И наоборот, для предприятий единичного производства САПР должна обеспечивать хранение трудоемкой информации об индивидуальных особенностях фигур в базе данных.

Большое влияние на проектирование изделий в легкой промышленности оказывает мода. Для малого производства или для предприятий с частой сменяемостью ассортимента подойдут программы, где покупатель сможет создать собственную конструкцию.

Для разработки интегрированных САПР нового поколения нужно сформировать эффективное научное обеспечение процессов разработки и эксплуатации САПР. При этом САПР в 2022 году могут рассматриваться как одно из ключевых направлений развития нового технологического уклада и такого технологического направления этого техуклада как СМАРТ-технологии в котором практически применяются новейшие научные достижения.

Поэтому актуальность данной работы определяется необходимостью увеличения экономической эффективности научного обеспечения САПР в условиях становления нового технологического уклада.

Постановка проблемы: ускорение научно-технического прогресса, повышение значимости научного обеспечения разработки и эксплуатации САПР должны сопровождаться повышением экономической эффективности научного обеспечения развития и функционирования САПР.

Анализ исследований по теме показывает следующее. Методология разработки САПР является одной из ключевых тем научных исследований [1, с. 2]. Большинство методик описывают узконаправленные САПР [2, с. 55-60]. Ученные изучают функциональное взаимодействие подсистем САПР [3, с. 98-101].  В вузах развивают исследовательско-учебные САПР интеллектуального типа [4, с. 214-216]. Одним из наиболее перспективных направлений могут быть признаны САПР, решающие фундаментальные проблемы отрасли [5, с. 1076-1081]. Разрабатываются классификации задач САПР [6, с. 121-122]. Ученные развивают методы проектирования САПР [7, с. 85-88]. Практики считают важным развивать принципы проектирования САПР [8, с. 48-49]. При этом практика показывает, что в методологии развития САПР возможно возникновение ошибочных подходов [9, с. 15-18].

На дальнейшее развитие сферы САПР может оказывать воздействие развитие нового технологического уклада и развитие общей теории науки, технологических платформ [10, с. 488-504; 11, с.2; 12]. Отмечают полезность эргодизайна в условиях усложнения производственной среды [13, с. 333-337].

Все большее распространение получает проектный подход в деятельности организаций реальной экономики [14, с. 15-33].

Дизайн-мышление рассматривают как перспективный метод инноваций [15, с. 245-254 ].

Анализ публикаций по теме статьи позволяет подтвердить актуальность темы настоящей статьи.

Метод. Комплексный подход при одновременном диагностировании не решенных ранее частей общей проблемы выступают основой увеличения экономической эффективности науки в новом технологическом укладе. Анализ публикаций показывает, что существует большое число публикаций по теме САПР в 2022 году. При этом часто публикации не имеют своего дальнейшего теоретического развития (об этом свидетельствует единичный характер публикаций одного автора или коллектива авторов). Вместе с этим отсутствует информация о внедрении и практической эффективности публикаций. Это дает основания сделать вывод о том, что в 2022 году пока еще отсутствует единая методологическая база систематизации и повышения экономической эффективности практического применения научных знаний в ходе развития САПР. В период развития нового технологического уклада требуются новые теории и концепции для роста экономической эффективности САПР.

При этом нужно учитывать, что именно в процессах разработки и эксплуатации САПР происходит внедрение научных результатов. Это и создает потребность в дальнейшем формировании и развития общей теории САПР (как научной платформы процессов проектирования и эксплуатации САПР). Нужно учитывать, что из философии и методологии науки известно, что только общая теория САПР может быть наиболее развитой и практически эффективной формой научного знания о САПР.

В связи с этим нужно сформулировать ключевые методологические положения общей теории САПР.  В рамках такого подхода необходимо сделать следующее:

1)       описать методологическую, инструментальную, познавательную, законотворческую, прогностическую, оптимизационную, предупредительную функции, функцию социализации знаний, психологическую, системообразующую функцию и функцию снижения рисков;

2)       сформулировать роли общей теории САПР;

3)       описать законы общей теории САПР;

4)       методологически определить понятие парадигмы развития САПР.

Целью данной работы является повышение социально-экономической эффективности научного обеспечения САПР в условиях перехода к новому технологическому укладу на основе построения научной платформы САПР с использованием общей теории САПР.

В области гносеологии (познания) общая теория (наука) о САПР может выступать как комплекс методов и способов  классификация фактов в сфере проектирования и функционирования САПР, их изучения, анализа, прогнозирования, диагностики, методология управления способами решения задач исследования САПР, проектирования, анализа и диагностики САПР на всех этапах их жизненного цикла.

Практическое значение научной теории САПР состоит в росте эффективности научных исследований и практического применения знаний в процессе управления развитием САПР нового поколения, снижении рисков, характерных для процессов проектирования и функционирования САПР. Научной теорией проектирования и функционирования САПР станем именовать: научный метод, как комплекс приемов и принципов, с использованием которых обеспечивается объективное исследование явлений, описывающих специфику конкретной САПР, анализ, диагностику, проектирование систем, состояний и  ситуации в рамках изучаемой САПР.

Методологическая функция общей теории САПР заключается в  формировании теоретической базы этой науки, включая следующее:  развитии понятийной основы; синтез методологии научного исследования процессов проектирования и функционирования САПР; изучении фактов, явлений, наблюдаемых в процессе проектирования и эксплуатации САПР и их составляющих; формулировании категорий и законов синтезируемой данной научной дисциплины.

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

В разработке эффективных концепций, способов, приемов, инструментов управления процессом реализации жизненного цикла САПР заключается регулятивная (инструментальная) функция полной теории САПР, которая в связи с этим имеет практическую направленность.

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

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

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

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

Психологическая функция общей теории САПР состоит в формировании ощущения и восприятия необходимости развития сферы САПР 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 САПР заключается в структурировании, классификации, хранении и передаче в социальную среду общества и профессиональную среду информации о значении и методах развития САПР их роли в экономике и обществе.

Системообразующая (агрегативная) функция общей теории САПР состоит в комплексном использовании знаний в сфере САПР с учетом особенностей их накопления, структуризации, классификации и эффективного практического использования в процессах управления развитием сферы САПР как одного из направлений формирования нового технологического уклада.

Ролями общей теории САПР (САПРологии) можно признать: рост экономической эффективности процессов проектирования и эксплуатации САПР; снижение рисков развития сферы САПР в процессе становления нового технологического уклада; уменьшение объема возможных ущербов в развитии сферы САПР; рост эффективности инвестиций в развитие сферы САПР и другое.

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

Законы развития и функционирования сферы САПР можно сформулировать следующим образом:

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

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

3. развитие сферы САПР автоматизировать труд конструкторов и проектировщиков на основе формализации стандартных проектных и конструкторских процедур, присущих процессам создания определенных видов продукции;

4.  любая САПР представляет собой большую и сложную гуманистическую систему, которая состоит из ряда частей (подсистем): информационных технологий; технических средств и вычислительной техники и другого;

5. по специфике деятельности и уровню абстрактности деятельности сфера САПР в рамках одного технологического уклада представляют собой «технологическую пирамиду САПР», включающую пять иерархических технологических уровней: 1) синтез новых технологических принципов в САПР; 2) разработку технологий САПР; 3) производство технических средств САПР; 4) создание конкретных образцов САПР определенных видов (отраслей); 5) эксплуатация и техническое обслуживание САПР;

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

7. в САПР системное объединение информационных технологий с накопленными в отрасли (на предприятии) научными знаниями позволяет автоматизировать процесс проектирования новой продукции и формирует синергетический эффект повышения эффективности и скорости выполнения проектно-конструкторских работ

8. жизненный цикл САПР включает этапы зарождения, роста, зрелости, старения, модернизации в рамках последующих технологических укладов.

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

Ключевыми научными задачами развития общей теории САПР можно считать: развитие методов научных исследований в области САПР; развитием теории программирования в САПР; синтез методов интеграции в САПР;  системный анализ и синтез в сфере САПР и другое.

Основными практическими  задачами общей теории САПР будем признавать такие задачи:

- целеполагания процессов развития сферы и отраслевых направлений САПР;

-технологический маркетинг с области САПР, как синтез и выбор оптимальных технических инструментов развития САПР;

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

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

- прогнозирования и планирование (стратегическое и текущее) развития сферы и отраслевых направлений САПР и составляющих САПР элементов;

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

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

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

- контроля состояния и процессов развития сферы САПР и другое.

Методами полной теории САПР могут считаться: объединение (агрегирование) элементов;  разделение на части (декомпозиция); системные синтез и анализ; прогнозный анализ в САП; формирование типовых представлений САПР; моделирование в САПР; эвристическое прогнозирование развития САПР; социология САПР; теория правого обеспечения деятельности в САПР; теория организации в САПР; финансовые менеджмент САПР; институциональная экономика САПР; организационное поведение в САПР; организационная культура и культурология в САПР; психология САПР; эргодизайн САПР и другие

Исследования показывают, что развитие нового технологического уклада дополнительно усилит воздействие инноваций, технологий, науки и образования на экономику и общество [10, с. 488-504]. В научной платформе САПР могут быть выделены блоки по таким признакам: на основе функций теории САПР; по отраслям экономики; ключевым технологиям нового технологического уклада и другим. Внедрение новых технологий в САПР и экономику в свою очередь приведет к увеличению экономической эффективности науки и инноваций позволит обеспечить научно-технический прогресс в САПР. В процессе развития науки о САПР (как научной платформы) в условиях нового технологического уклада нужно учитывать, что функции теории САПР могут рассматриваться как направления ее развития [11, с.50- 66].

Использование функций науки о САПР в качестве направлений исследований и/или системообразующего фактора при формировании научной платформы САПР позволит лучше координировать научные исследования, уменьшить число «былых пятен» в научном обеспечении САПР, снизить вероятность дублирующих и неудачных исследований.

Развитие теории САПР как единой методологической базы проектирования, создания и функционирования САПР создает методологическую основу для развития научной платформы САПР. В этом процессе рекомендуется учитывать опыт создания в ЕС технологических платформ как инструмента информационных контактов [12].

Под научной платформой в развития САПР условимся понимать системное объединение научных знаний из различных отраслей науки, которые нужны для решения задач проектирования и анализа САПР и проектов их создания на всех этапах жизненного цикла САПР.

Архитектурой научной платформы САПР станем называть системное объединение таких факторов: стиль, искусство, эмоциональное восприятие процессов проектирования, создания, технической поддержки, организации и оформления процессов взаимодействия пользователей и системы накопленных в области САПР знаний.

Главными задачами эргодизайна САПР и архитектуры научной платформы САПР можно признать формирование единого стиля получения, систематизации, оценки и практического использования знаний в интересах повышения эффективности процессов научных исследований и практического использования научных знаний на всех этапах жизненного цикла САПР.

При этом нужно учитывать, что научному обеспечению САПР присуща архитектура иерархического вида, которую принято именовать «технологической пирамидой САПР»: 1-й уровень этой пирамиды обеспечивает синтез новых технологических принципов развития и функционирования САПР; 2-й уровень научного обеспечения САПР связан с разработкой технологий САПР; 3-й уровень научного обеспечения САПР обслуживает опытно-конструкторские бюро (ОКБ) проектирующие САПР и изготовители технических средств САПР; к 4-му уровню относятся организации которые используют САПР в своей деятельности; на 5-м уровне иерархии находятся фирмы, которые обеспечивают техническое обслуживание САПР и обучение персонала использованию САПР.

Обсуждение. В процессе развития САПР и платформ научного обеспечения создания САПР возможны диспропорции, что приведет к снижению эффективности научного обеспечения САПР. В качестве инструмента снижения вероятности появления диспропорций в научном обеспечении САПР может рассматриваться метод эргономического дизайна.

Эргономическим дизайном научной платформы САПР условимся называть способ и специфику организации структуры, характера взаимодействия различных элементов САПР, научных подходов, научных предметов в процессе решения конкретных практических задач разработки, создания, использования, реструктуризации различных видов САПР.

Факторами обеспечения эффективности научной платформы САПР можно считать следующее:

- методы получения, хранения и классификации  научных знаний о САПР на основе функционального принципа, архитектуры определяемой этапами жизненного цикла САПР и/или уровней иерархи «технологической пирамиды» создает условия для прогнозирования процессов формирования научного обеспечения САПР, своевременно выявлять пробелы в научном обеспечении САПР, что положительно скажется на экономической эффективности научных исследований на всех этапах жизненного цикла САПР;

- практическое применение знаний, организованных в форме научной платформы САПР может быть более эффективным по причине того, что такой подход обеспечивает увеличение степени комплексности использования всех имеющихся научных знаний;

- рост экономической эффективности практического применения знаний о САПР в рамках такой научной платформы может быть связан и с гармонизацией процессов получение, классификации, хранения знаний на основе методологии эргодизайна научной платформы САПР;

- создание научной платформы САПР может позволить поднять степень освоения знаний и приобретения практических навыков (компетенций) обучающимися студентами в ходе их обучения в университетах, что в свою очередь приведет к росту экономической эффективность САПР в реальной экономике.

Поясним действие механизма обеспечения эффективности научного обеспечения САПР на основе гармонизации и практического комплексного использования знаний на примере инновационного проекта создания САПР. Анализ факторов эффективности инновационного проекта подтверждает, что на экономическую эффективность инновационного проекта может воздействовать научное обеспечение САПР, которое обеспечивает в процессе реализации такого проекта решение ряда задач, связанных с внешними и внутренними факторами такого инновационного проекта. Перечень факторов, определяющих эффективность проекта представлен в работе [11, с.112 -115]. Для создания конкурентоспособного на глобальном рынке образца САПР необходимо на научной основе решить такие внешние проблемы научно-инновационного проекта создания САПР: 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 САПР сегмента рынка; формирование облика потребителя; определение требований потребителя к продукту (это связано со специальностью маркетинг); определение передовых зарубежных технологий для их использования в проекте (входит в область научно-технического сотрудничеств); сформировать прогноз и определить вероятность появления заменителей (аналогов) данного продукта проекта (относится к теории технологических укладов и теории глобальной конкуренции); сформировать поддержку (менторства) данного проекта САПР обществом и органами государственной власти (входит в сферы PR и государственно-частного партнерства); создание группы организаций- исполнителей проекта (сфера менеджмента организаций); разработать и реализовать маркетинговую политику по продвижению этой САПР к потребителям (относится к маркетингу); сделать проект технического обслуживания клиентов; определить схему технического обслуживания САПР в процессе ее эксплуатации (сервис в САПР); сформировать бренд и фирменный стиль данного проекта САПР и т.п. Эти внешние научные и практические проблемы проекта создания САПР 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 [11, с.114 -115]. С учетом специфики проекта САПР этот перечень должен быть адаптирован к условиям, целям и задачам проекта создания конкретной САПР. При этом нужно учитывать, что эти внешние и/или внутренние по отношению к проекту разработки САПР научные и практические управленческие решения могут быть взаимосвязанными.

Кроме того, нужно учитывать, что проектные решения, которые  принимаются на стыках различных предметных областей, основываются не только на явных знания, но включают и неявные знания о САПР. К неявным знаниям, как известно, относят знания, которые не могут быть переданы вербальными средствами. Источниками таких неявных знаний являются: процесс системного объединения (агрегирования) элементов в единую систему -САПР; междисциплинарный характер явлений и другое. Неявные знания имеют форму подсознательной информации, передаваемой невербальными инструментами. Такие неявные знания в сфере САПР на стыках различных научных направлений и свойств САПР могут выступать как основа для возникновения синергетического эффекта от проекта создания САПР. Такая синергия формируется на основе системного объединения (агрегирования) элементов и комплектующих САПР в единую систему.

Развитие общей теории и научной платформы САПР может быть еще более экономически эффективным, если оно будет совмещаться 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 САПР на всех этапах жизненного цикла САПР. Проектная модель деятельности организации представлена в работе [14, с. 15- 33 ].

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

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

Дальнейшему повышению эффективности сферы научного обеспечения САПР может способствовать формирование новых инновационных научных и образовательных направлений в сфере САПР. Одна из таких инновационных научно-образовательных дисциплин в области САПР может условно называться «Методы исследований САПР». В состав этой научно-образовательной дисциплины могут быть включены такие дидактические единицы: обоснование необходимости дальнейшего  развития методологии научных исследований в САПР; изучение смысла понятия научного обеспечения САПР; исследование технологических платформ САПР; особенности исследований уровней технологической пирамиды САПР; классификация методов исследований САПР; фундаментальные и прикладные исследования САПР; развитие и описание содержания наиболее часто применяемых методов исследований в САПР; характеристика предшествующих, в реальном масштабе времени и последующие исследования в САПР: применение методологии дизайн-мышления при проектировании и исследованиях САПР; содержание и особенности; методы анализа эффективности методов исследований в САПР  и  другое.

Дизайн-мышление, которое включает такие этапы инновационного процесса как эмпатия, фокусировка, идеация, интеграция, прототипирование, тестирование выступает как актуальный метод инноваций [15, с. 245-254].

Анализ направленности действий и содержания дизайн-мышления дает основания признать этот инновационный метод реализации одной из новых и перспективных форм эргодизайна? Можно говорить, что в рамках дизайн- мышления производится эргодизайн: потребностей клиентов, возможностей технологий, интересов организующего бизнес-процесс предпринимательства? При этом возможно рассмотрение дизайн-мышления как перспективного метода исследований (в рамках гносеологии) и не менее перспективного метода осуществления инновационной проектной деятельности. Полезным для развития эргодизайна САПР и научного обеспечения САПР может оказаться разработка научно-образовательных дисциплин в этой сфере. Развитию практики эргодизайна в САПР и научном обеспечении САПР может способствовать введение в учебные программы факультетов информационных технологий следующих дисциплин «Методы исследований САПР», «Методы интеграции САПР», «Моделирование при интеграции САПР». При определенном составе дидактических единиц в этих учебных программах возможно развитие системного мышления и дизайн-мышления у обучающихся студентов. Нужно учитывать, что проблема развития системного и дизайн мышления у студентов в начале 21 века крайне актуальна еще и по причине того, что новое поколение студентов характеризуется клиповым и атеральным мышлением. При этом именно латеральное (боковое) мышление может создавать предпосылки для развития дизайн-мышления и эргомышления нового поколения акторов постиндустриальной реальной экономики [16, с. 489-501].

В интересах развития у студентов, изучающих область САПР системного и эргомышления может быть предложено такое содержание дидактических единиц в учебных программах следующих учебных курсов по этим специальностям. Учебная программа дисциплины «Методы исследований САПР» может включать такие дидактические единицы: необходимость развития методолог научных исследований в САПР; понятие научного обеспечения САПР; технологические платформы САПР; особенности исследований уровней технологической пирамиды САПР; классификация методов исследований САПР; фундаментальные и прикладные исследования САПР; описание содержания наиболее часто применяемых методов исследований в САПР; предшествующие, в реальном масштабе времени и последующие исследования в САПР: применение методологии дизайн-мышления при проектировании и исследованиях САПР; содержание и особенности; методы анализа эффективности методов исследований в САПР  и  другое.

Учебная программа дисциплины «Методы интеграции САПР» может состоять из следующих дидактических единиц: САПР технологии как этап научно-технического прогресса; понятие и содержание САПР-технологий; классификация САПР-технологий и их особенности; инструменты интеграции САПР-технологий; САПР как сложная система; технологическая пирамида  в САПР;  декомпозиция и агрегирование при проектировании и исследованиях в САПР; описание проблемы интеграции в САПР; анализ подходов к решению проблемы интеграции в САПР; классификация и описание инструментов интеграции в САПР; Методы синтеза и анализа интеграции в САПР; применение методологии дизайн-мышления при решении задач интеграции САПР; оценка эффективности интеграции в САПР и другое.

Программа учебной дисциплины «Моделирование при интеграции САПР» может состоять из таких дидактических единиц: моделирование как инструмент проектирования и анализа САПР; понятие эффективности интеграции САПР; классификация видов моделирования; описание видов моделей и особенностей моделирования при интеграции САПР; анализ применимости вида моделирования при интеграции в САПР; анализ адекватности и верификация модели САПР; применение методологии дизайн-мышления при решении задач моделирования интеграции САПР; анализ эффективности моделирования при интеграции САПР и  другое.

В целом можно сказать, что применение методов общей теории САПР, эргодизайна и такого его нового направления как дизайн-мышление при развитии научных платформ в САПР может оказаться весьма перспективным направление повышения экономической эффективности научных исследований в этой области науки и практики.

Заключение. В работе развиваются методические положения общей теории САПР, основы использования эргодизайна для формирования научной платформы САПР в интересах повышения экономической эффективности процессов получения и использования научных знаний при проектировании использовании САПР, описаны структурные элементы научной платформы САПР. При этом описана роль эргодизайна и дизайн-мышления в повышении эффективности научного обеспечения САПР. В статье предложены учебные дисциплины, способные увеличить качества высшего образования в сфере САПР на основе использования знаний из научной платформы, стимулирования развития системного и эргономического мышления студентов.

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.

При этом нужно учитывать то, что хоть САПР и формируются ориентировочно с конца 1960-х годов, но еще есть много нерешенных проблем в научном обеспечении создания САПР, формировании концепции образовательной деятельности в этой области.

Гипотезой работы является предположение о том, что для создания эффективных САПР необходимо развивать способы и инструменты управления методами решения задач создания САПР (управление второго уровня в сфере САПР).

Проблема работы: недостаточное внимание формированию способов и инструментов управления методами решения задач создания САПР (управлению второго уровня в сфере САПР).

Целью работы является повышение экономической эффективности процессов отраслевых САПР, рост уровня образования в сфере САПР.

Для достижения поставленной цели в работе решаются такие задачи:

- обсуждается ситуации и тенденции развития сферы САПР;

- описано понятие «способы и инструменты управления методами решения задач создания отраслевых САПР»;

- изучаются возможные способы и инструменты управления методами решения задач создания отраслевых САПР.

Объект работы- отраслевые САПР киберфизических систем.

Предмет работы – управление методом решения задач формирования САПР киберфизических систем.

В целях изучения ситуации и тенденций развития сферы САПР проведем анализ литературных источников по этой теме.

Исследователи активно изучают подсистемы, структуру, особенности элементов САПР [ 1, с. 5]. Система автоматизированного проектирования (САПР) относится к классу автоматизированных систем, работающих с участием человека (гуманистического характера). Каждая САПР реализует в производственном процессе информационную технологию в интересах автоматизированного проектирования конкретных видов объектов [ 2, с. 85-88].

Эксперты отмечают тенденцию перехода от универсальных САПР к отраслевому типу САПР [ 3, с. 53-60; 4, с. 85-87]. При этом влияние отраслевых систем возрастает приводит к новому этапу развития сетевого общества [ 4, с. 85-87]. Для повышения эффективности процессов научных исследований предлагают развивать отраслевые научно-образовательные платформы [ 5, с. 199-201]. Известно предложение применять концептуальный подход при проектировании САПР киберфизических систем [6]. Дополнительно предлагают создать научно-образовательную платформу в области САПР [ 7, с. 150-152].

Кроме этого из информации, размещенной на сайте «Объединенной судостроительной корпорации» стало известно, что 10 марта 2022 года стало известно о том, что в России стартовал проект создания судостроительной системы автоматизированного проектирования (САПР). Проект осуществляется под эгидой «Объединенной судостроительной корпорации». Головным исполнителем работ по созданию системы на данном этапе выступает Санкт-Петербургский государственный морской технический университет (СПбГМТУ). Организаторы проекта по разработке САПР для судостроительной отрасли отмечают следующее. При проектировании судов и высокотехнологичных объектов морской техники российские проектно-конструкторские бюро применяли зарубежные САПР. Это связано с отсутствием отечественного аналогов. В 2023 году для судостроителей сохраняется возможность использовать непрофильные машиностроительные САПР. Однако эксперты считают, что такие непрофильные САПР не могут в полной мере осуществить весь комплекс судостроительного проектирования, что связано с ориентацией геометрических ядер существующих непрофильных САПР на задачи другого рода.Это повышает актуальность решения задач управления методом решения задач проектирования САПР.

Метод. Парадигма управления методами решения задач создания отраслевых САПР киберфизических систем (КФС) условимся называть системное объединение: философии управления методами решения таких задач; идеологии управления методами решения таких задач; организационной культуры управления методами решения таких задач; политики управления методами решения таких задач.

Необходимость формирования такой парадигмы связана с тем, что ранее российские разработчики САПР использовали в свой работе импортные технологии, которые в настоящее время стали им недоступны. Поэтому российским компаниям предстоит формировать САПР самостоятельно и фактически с «нуля». Это создает запрос на подготовку специалистов способных работать на высших уровнях «технологической пирамиды», а именно на концептуальном уровне и уровне синтеза новых технологических принципов, технологий в САПР (раньше эти проблемы решались за рубежом). Поэтому существует необходимость реинжиниринга процессов обучения в вузах,  повышения качества высшего образования в сфере САПР.

При формировании парадигмы управления методами решения задач управления методами создания САПР, исследованиях САПР нужно учитывать, что САПР представляет собой организационно-техническую систему, которая разрабатывается в интересах комплексной автоматизации процессов проектирования определенных типов продукции. Эта продукция выступает объектом  проектирования (автомобили, самолеты, суда и т.д.) в САПР. Кроме того, нужно учитывать, что в период 10-го технологического уклада все эти типы объектов проектирования создаются с применением новых технологий. Такая интеграция «старых» объектов проектирования приводит в резкому усложнению объектов проектирования, которые формируют качественно новые объекты проектирования -киберфизические системы.

При этом технология САПР включает в себя такие составляющие: способы и инструменты проектирования; квалификационных проектные навыки персонала; комплекса технических, программных и других средств автоматизации проектной работы.

Философией управления методами решения задач создания САПР условимся называть наиболее общий и мудрый взгляд на необходимость и сущность такого управления. Такая философия управления методами решения задач создания САПР находит свое практическое отражение в формулировке принципов такого управления. Такими принципами могут быть: направленность на повышение эффективности САПР; научная обоснованность концепции управления методами решения задач и другие.

Идеология  управления методами решения задач создания САПР может включать, имеет два аспекта:

во-первых, это главная идея такого управления (повышение эффективности САПР на основе результатов подбора оптимальных методов решения задач создания САПР);

во-вторых, это способ распределения власти в процессах управления подбора оптимальных методов решения задач создания САПР.

Организационная культура управления методами решения задач создания САПР выступает как набор ценностей, стереотипов поведения, типовых реакций на вызовы и возможности в процессе управления методом решения задач САПР.

При первом подходе политика управления методами решения задач создания САПР может трактоваться как результат всей деятельности по осуществлению такого управления. При другом подходе под политикой управления методами решения задач создания САПР может пониматься совокупность скоординированных между собой мероприятий по осуществлению такого управления. При этом политика управления методами решения задач создания САПР может быть разделена на стратегию и тактику такого управления.

Парадигма управления методами решения задач создания САПР может рассматриваться как концептуальная основа СМАРТ-управления в этой области. СМАРТ-управлением методами решения задач проектирования  САПР киберфизических систем условимся называть систему способов воздействия на методы проектирования в САПР, обеспечивающих повышение эффективности методов проектирования САПР киберфизических систем. Перед такого рода управлением может ставиться не только задача повышения уровня эффективности методов проектирования, но и задача нахождения или синтеза оптимальных методов проектирования в САПР.

При этом рекомендуется учитывать, что задача управления методом решения задач в САПР в теории управления может быть отнесена к управленческим задачам второго порядка. При использовании такого управления первый (нижний уровень, объект управления) составляют сами методы решения задач проектирования в процессах формирования САПР. В рамках такого подхода в управлении методом решения задач можно выделить такие этапы: первый этап состоит в том, что осуществляется выбор (или синтез) наиболее адекватного метода решения задачи проектирования в составе САПР; второй этап такого управления заключается в том, что посредством подбора воздействующих факторов формируют максимальную эффективность применения этого метода. Факторами процесса управления методами решения проектных задач в САПР (на основе проведенного анализа) можно считать: создание научно-образовательных платформ в области САПР; формирование парадигмы проектирования САПР; формирование специализированных кластеров, занимающихся разработкой САПР; развитие и повышение качества проектной формы высшего образования в ИТ-сфере; использование постиндустриального подхода к генерации инновационных идей для проектирования САПР; задействование методов научно-технического маркетинга при создании САПР и другое.

Станем называть образовательно-научной платформой в САПР комплекс системно объединенных научных и образовательных методов из различных областей знаний, которые создают основу для подготовки специалистов, квалификационные навыки которых позволяются проектировать и использовать конкурентоспособные САПР.  Практическим конкурентным преимуществом научно-образовательных платформ можно считать системное объединение и использование знаний, необходимых для решения практических задач, связанных с жизненным циклом САПР. Структуризация такой научной-образовательной платформы может осуществляться по ряду признаков: по функциям научного обеспечения САПР как отраслевой науки [ 7, с. 150-152]; по уровням «технологической пирамиды в САПР; по этапам жизненного цикла САПР (проектирование, производство, эксплуатация, модернизация, утилизация)  и по другим факторам. При таком подходе в научном обеспечении САПР можно описать функции: методологическую, прогностическую, предупредительную, интеграционную, социализации знаний, законотворческую  и другие [ 7, с. 150-152] .

На основе определенных уровней «технологической пирамиды в механизме управления методом решения задач проектирования САПР в этом механизме могут быть сформированы соответствующие иерархические уровни: управления методами концептуальных разработок; управления методами технологий для САПР; управление методами производства САПР; управления методами эксплуатации САПР; управления методами обучения и технического обслуживания САПР.

Заключение. В работе обоснована необходимость и полезность формирования парадигмы управления медами проектирования САПР, изучены факторы управления методом решения проектных задач в САПР. В работе показано, что факторами управления методом решения задач могут выступать: развитие и применение приемов научно-технического маркетинга при создании САПР; формирование парадигмы проектирования (концептуальный подход к проектированию САПР); создание научно-образовательных платформ в области САПР; формирование ИТ-кластеров, специализирующихся на проектировании САПР; дальнейшее развитие и совершенствование проектной формы высшего образования в области ИТ-технологий; использование постиндустриального подхода при создании инноваций в процесса проектирования САПР и другое.

Дальнейшее развитие этого направления исследований и его структурных элементов может быть перспективным.