Одной из главных задач науки, предусмотренной Программой фундаментальных исследований в Российской Федерации на долгосрочный период (2013–2020 гг.), является научное обеспечение социально-экономического развития и национальной безопасности страны. Преодоление технологического отставания требует обеспечения системного планирования и координации исследований и разработок на основе выстраивания системы приоритетов научно-технологической сферы. Для топливно-энергетического комплекса России проблема ускорения внедрения инновационных технологий актуальна, во-первых, в связи с возрастанием роли углеводородного потенциала России при интеграции в глобальную энергетическую систему [9], а во-вторых, по причине высокого износа объектов производственно-технических систем и необходимости их обновления [4]. Кроме того, исследование инновационного развития отраслей углеводородной энергетики представляет особый интерес с тех позиций, что их базовые технологии сформировались более ста лет назад.
В данном исследовании предпринята попытка установления закономерностей изменения инновационного контура технических систем с позиций эволюционного подхода [12] с целью прогнозирования качественного облика системы в целом и темпов инноваций по отдельным составляющим. Под инновационным контуром понимается набор характеристик состояния главных элементов, дающих обобщенную оценку инновационного развития системы. Эволюция технических систем рассматривается с позиций Теории технологических укладов, Единой теории инновационных циклов, Теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) и системного подхода [5]. По методике, предложенной авторами, исследование эволюции технических систем предполагает девять этапов.
На первом этапе производится структурирование объекта исследования [13]. Техническая система может быть представлена совокупностью элементов в виде матрицы объектов инноваций с элементами (Хij), где i – частичный производственный процесс, реализуемый системой, а j – составляющая технологического способа производства. Наиболее значимыми являются три составляющие технологического способа производства. Это применяемые материалы, используемая техника и технология процесса.
На втором этапе выделяются главные элементы системы для очерчивания инновационного контура. Отбор элементов из матрицы объектов инноваций может осуществляться по следующим критериям:
1) значимость в выполнении функций технической системы;
2) доступность информационной базы по объектам инноваций;
3) уровень и динамика инновационного развития элемента.
На третьем этапе по объектам инноваций происходит формирование массива данных по качественным состояниям объектов инноваций (применяемые материалы, техника, технологии и их основные характеристики) за весь период функционирования технической системы.
На четвертом этапе производится обоснование системы оценки эволюции технической системы. При проведении исследований предпочтение, как правило, отдается количественным оценкам, предполагающим использование соответствующей шкалы. Основой формирования альтернативных вариантов систем оценки эволюции технической системы могут служить различные классификации, отражающие степень инноваций и уровень изобретений [8]. Особый интерес представляет классификация изобретений по Г. Альтшуллеру. Использование 5-уровневой шкалы позволяет сравнить глубину инновационных преобразований по технико-технологическим составляющим различных производственных процессов в определенный момент времени. В соответствии с ТРИЗ [1] исследование динамики развития технических систем базируется на цикличном подходе. Согласно Единой теории инновационных циклов [11] история развития инноваций предстает как череда периодически сменяющихся циклов различной продолжительности. Исследование эволюции технической системы с момента её формирования предполагает необходимость поиска системы оценок, применимой к многоцикличному развитию.
В данном исследовании авторами статьи предлагается использование системы оценки эволюции технической системы с позиций Теории технологических укладов С. Глазьева. История развития рассмотрена с позиций смены поколений техники и технологий, что позволяет выделять технологические (или инновационные) циклы. Характеристики укладов представлены в таблице.
На основе характеристик технологических укладов может быть сформирована 6-ти уровневая шкала инновационного развития главных элементов для очерчивания инновационного контура технической системы в любой момент времени. Такой подход позволяет произвести оценку развития:
1) всех объектов инноваций на основе количественных параметров;
2) в сравнении с другими техническими системами в любой момент времени;
3) в динамике по каждому элементу системы и инновационному контуру в целом;
4) в сравнении между составляющими технологического способа производства, элементами и процессами системы;
5) на протяжении всего жизненного цикла системы;
6) качественного облика технической системы в новом инновационном цикле;
7) во взаимосвязи с внешней средой.
По мнению российского эволюциониста В.А. Красилова [6], раскрытие наиболее важных процессов развития предполагает рассмотрение системы как компонента системы более высокого уровня. С позиций эволюционного подхода развитие представляет собой совокупность отборов инноваций на всех уровнях сложной иерархической системы. Предлагаемая система оценки обеспечивает взаимосвязь инновационных процессов по цепочке: элемент – техническая система – технологический уклад.
На пятом этапе производится количественная оценка качественных состояний объектов инноваций в массиве данных по 6-ти уровневой шкале, приведённая в работе [3]. Оценка производится путем идентификации состояния главного элемента ключевому фактору и развитым отраслям ядра соответствующего цикла (технологического уклада).
На шестом этапе строятся хронологические карты эволюции каждого элемента технической системы. Особый интерес из элементов массива данных системы представляет тип используемого привода, являющийся с позиций Теории технологических укладов ключевым фактором развития (с первого по четвертый цикл). Значимость этого элемента подчеркивает тот факт, что некоторые исследователи рассматривают историю развития с позиций энергетических циклов.
Характеристика технологических укладов (ТУ) по С. Глазьеву*
|
№ ТУ |
Ядро технологического уклада |
Ключевой фактор |
|
1 |
Текстильная промышленность и машиностроение, выплавка чугуна, железа, строительство каналов, водяной двигатель |
Текстильные машины, гидропривод |
|
2 |
Паровой двигатель, железнодорожное строительство, транспорт, машино- и пароходостроение, угольная, станкоинструментальная промышленность, чёрная металлургия |
Паровые машины |
|
3 |
Электротехническое, тяжёлое машиностроение, производство и прокат стали, линии электропередач, неорганическая химия |
Электродви-гатель |
|
4 |
Автомобиле-, тракторостроение, цветная металлургия, производство товаров длительного пользования, синтетические материалы, органическая химия, производство и переработка нефти |
ДВС |
|
5 |
Электронная промышленность, вычислительная, оптиковолоконная техника, программное обеспечение, телекоммуникации, роботостроение, производство и переработка газа, информационные услуги |
Микро-электронные компоненты |
|
6 |
Наноэлектроника, молекулярная и нанофотоника, наноматериалы и наноструктурированные покрытия, нанобиотехнология, наносистемная техника |
Нано-компоненты |
Примечание. * Составлено по [2].
Рис. 1. Эволюция источников энергии
Важнейшими характеристиками энергопроизводящего оборудования являются плотность и управляемость энергетического потока. На основе оценок, приведенных А. Макаровым в работе [10], была построена зависимость, представленная на рис. 1, характеризующая эволюцию энергоисточников по показателям ценности энергии.
Эволюция энергопроизводящего оборудования сопровождается повышением мощности, плотности и управляемости потоком генерируемой энергии. При этом инновационное развитие происходит нелинейно, а показатели ценности энергии возрастают в прогрессирующей зависимости.
Исследование эволюции по хронологической карте позволяет визуализировать пути развития в динамике, проанализировать изменение инновационно-технического уровня каждого элемента системы по 6-балльной шкале [7]. С момента формирования системы нефтепроводного транспорта России использовался паровой привод, соответствующий 2-му инновационному циклу. При строительстве первого магистрального нефтепродуктопровода в России (1896–1905 гг.) стали применяться наряду с паровыми машинами дизельные двигатели, соответствующие 4-му инновационному циклу. В 50-е годы 20 века произошла смена парового и дизельного двигателей на электродвигатели (3-й инновационный цикл). С 70-х годов были введены в эксплуатацию газотурбинные установки (ГТУ), соответствующие 4-му инновационному циклу. Исследование хронологической карты позволяет сделать выводы о том, что эволюция энергопроизводящего оборудования происходила нелинейно, с одновременным развитием по нескольким направлениям.
На седьмом этапе на основе хронологических карт главных элементов производится очерчивание инновационных контуров технической системы с заданной периодичностью во времени. Периодичность сканирования контуров через 40–50 лет соответствует средней продолжительности технологических укладов и длинных Кондратьевских волн. На рис. 2 приведен пример динамики развития технической системы с периодичностью в 40 лет.
Рис. 2. Динамика инновационного контура нефтепроводного транспорта России
Инновационные контуры позволяют восстановить хронологию смены поколений техники и технологии за весь период существования системы.
На восьмом этапе производится выявление закономерностей эволюции системы на основе анализа изменения построенных инновационных контуров. Апробирование предложенного эволюционного подхода на примере развития системы нефтепроводного транспорта России позволило выявить следующие закономерности:
1. Период возникновения отрасли по шкале технологических укладов во многом определяет базовый технологический способ производства.
2. Составляющие базового технологического способа производства, возникшие на ранних этапах эволюции, наиболее консервативны с позиций инновационного развития.
3. Чем более широкую сферу применения в других отраслях имеет производственный процесс (то есть чем меньше специфика процесса), тем выше скорость его инновационного обновления.
4. В начальный период техническая система состоит из меньшего количества элементов (объектов инноваций). Так, в процессе перекачки нефти изначально не применялись химические реагенты, а также диагностические приборы и снаряды. Появляясь на более поздних этапах развития системы, эти элементы имеют более высокий инновационно-технический уровень и интенсивную динамику.
5. В динамике инновационного развития имеется закономерность распределения скорости (в порядке убывания) по составляющим технологического способа производства):
1) материалы;
2) техника (особенно в части материала изготовления);
3) технология.
6. Скорость эволюционных изменений по объектам инноваций зависит от скорости становления нового технологического уклада.
7. Темпы внедрения инноваций в отрасль во многом определяются приоритетами развития.
На девятом (заключительном) этапе исследования на базе полученных закономерностей обосновываются направления и темпы развития технической системы. Основой эволюционных изменений служит становление 6-го инновационного цикла. Инновационный контур технических систем будет интенсивно меняться в первую очередь за счет использования наноматериалов и наноструктурных покрытий.
Таким образом, выявленные закономерности позволяют определить элементы технической системы, которые подвергнутся большим инновационным преобразованиям. Для нефтепроводного транспорта России это материал самой трубы, её изоляции, диагностические приборы и снаряды, а также средства управления процессами перекачки, хранения и диагностики. Выявленные возможности изменения инновационного контура позволят повысить эффективность управления процессами исследований и разработок.
Рецензенты:Чекардовский М.Н., д.т.н., зав. кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет», г. Тюмень;
Моисеев Б.В., д.т.н., профессор кафедры транспорта углеводородных ресурсов, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.
Работа поступила в редакцию 10.03.2015.