В них также формулируются задачи, стимулирующие развитие технической теории.
Теоретический уровень научно-технического знания включает в себя три основные уровня, или слоя, теоретических схем: функциональные, поточные и структурные.
Функциональная схема фиксирует общее представление о технической системе, независимо от способа её реализации, и является результатом идеализации технической системы на основе принципов определённой технической теории. Функциональные схемы совпадают для целого класса технических систем. Блоки этой схемы фиксируют только те свойства элементов технической системы, ради которых они включены в неё для выполнения общей цели. Каждый элемент в системе выполняет определённую функцию. Совокупность такого рода свойств, рассмотренных обособлено от тех нежелательных свойств, которые привносит с собой элемент в систему, и определяют блоки (или функциональные элементы) таких схем. Как правило, они выражают обобщённые математические операции, а функциональные связи, или отношения, между ними – определённые математические зависимости.
Функциональные схемы, например, в теории электрических цепей представляют собой графическую форму математического описания состояния электрической цепи. Каждому функциональному элементу такой схемы соответствует определённое математическое соотношение, – скажем, между силой тока и напряжением на некотором участке цепи или вполне определённая математическая операция (дифференцирование, интегрирование и т. п.). Порядок расположения и характеристики функциональных элементов адекватны электрической схеме.
В классической технической науке функциональные схемы всегда привязаны к определённому типу физического процесса, т. е. к определённому режиму функционирования технического устройства, и всегда могут быть отождествлены с какой-либо математической схемой или уравнением. Однако они могут быть и не замкнуты на конкретный математический аппарат. В этом случае они выражаются в виде простой декомпозиции взаимосвязанных функций, направленных на выполнение общей цели, предписанной данной технической системе. С помощью такой функциональной схемы строится алгоритм функционирования системы и выбирается её конфигурация (внутренняя структура).
Поточная схема , или схема функционирования, описывает естественные процессы, протекающие в технической системе и связывающие её элементы в единое целое. Блоки таких схем отражают различные действия, выполняемые над естественным процессом элементами технической системы в ходе её функционирования. Такие схемы строятся исходя из естественнонаучных (например, физических) представлений.
Теория электрических цепей, к примеру, имеет дело не с огромным разнообразием конструктивных элементов электротехнической системы, отличающихся своими характеристиками, принципом действия, конструктивным оформлением и т. д., а со сравнительно небольшим количеством идеальных элементов и их соединений, представляющих эти идеальные элементы на теоретическом уровне. К таким элементам относятся прежде всего ёмкость, индуктивность, сопротивление, источники тока и напряжения. Для применения математического аппарата требуется дальнейшая идеализация: каждый из перечисленных выше элементов может быть рассмотрен как активный (идеальные источники тока или напряжения) или пассивный (комплексное – линейное омическое и нелинейные индуктивное и ёмкостное – сопротивления) двухполюсник, т. е. участок цепи с двумя полюсами, к которым приложена разность потенциалов и через которую течёт электрический ток. Все элементы электрической цепи должны быть приведены к указанному виду. Причём в зависимости от режима функционирования технической системы одна и та же схема может принять различный вид. Режим функционирования технической системы определяется прежде всего тем, какой естественный (в данном случае физический) процесс через неё протекает, т. е. какой электрический ток (постоянный или переменный, периодический или непериодический и т. д.) течёт через цепь. В зависимости от этого и элементы цепи на схеме функционирования меняют вид: например, индуктивность представляется идеальным омическим сопротивлением при постоянном токе, при переменном токе низкой частоты – последовательно соединёнными идеальными омическим сопротивлением и индуктивностью (индуктивным сопротивлением), а при переменном токе высокой частоты её поточная схема дополняется параллельно присоединяемым идеальным элементом ёмкости (ёмкостным сопротивлением). Для каждого вида естественного (физического) процесса применяется наиболее адекватный ему математический аппарат, призванный обеспечить эффективный анализ поточной схемы технической системы в данном режиме её функционирования. Заметим, что для разных режимов функционирования технической системы может быть построено несколько поточных и функциональных схем.
Поточные схемы в общем случае отображают не обязательно только физические процессы (электрические, механические, гидравлические и т. д.), но и химические, если речь идёт о теоретических основах химической технологии и вообще любые естественные процессы. Поскольку сегодня активно развивается биотехнология, в сферу технических наук попадают и биологические процессы. В предельно общем случае поточные схемы отображают не только естественные процессы, но и вообще любые потоки субстанции (вещества, энергии, информации). Причём в частном случае эти процессы могут быть редуцированы к стационарным состояниям, но последние могут рассматриваться как вырожденный частный случай процесса.
Структурная схема технической системы фиксирует те узловые точки, на которые замыкаются потоки (процессы функционирования). Это могут быть единицы оборудования, детали или даже целые технические комплексы, представляющие собой конструктивные элементы различного уровня, входящие в данную техническую систему, которые могут отличаться по принципу действия, техническому исполнению и ряду других характеристик. Такие элементы обладают кроме функциональных свойств свойствами второго порядка, т. е. теми, которые привносят с собой в систему определённым образом реализованные элементы, в том числе и нежелательными (например, усилитель – искажения усиливаемого сигнала). Структурная схема фиксирует конструктивное расположение элементов и связей (т. е. структуру) данной технической системы и уже предполагает определённый способ её реализации. Такие схемы, однако, сами уже являются результатом некоторой идеализации, отображают структуру технической системы, но не являются ни её скрупулёзным описанием в целях воспроизведения, ни её техническим проектом, по которому может быть построена такая система. Это – пока ещё теоретический набросок структуры будущей технической системы, который может помочь разработать её проект, т. е. продуцированный технической теорией исходный пункт для последующей инженерной деятельности, или исходное теоретическое описание, теоретическая схема уже существующей технической системы с целью её теоретического расчёта и поиска возможностей для усовершенствования (или разработки на её основе новой системы). Кроме того, часто эти схемы строятся на основе представлений более специализированных научно-технических дисциплин и решают теоретическими средствами возникшие в них задачи.
Уже структурные схемы теории электрических цепей представляют собой идеализированное изображение электрической цепи, поскольку в них абстрагируются от многих частных характеристик электротехнического устройства (габаритов, веса, способов монтажа и т. д.). Эти характеристики учитывают в процессе проектирования и изготовления, т. е. в самой инженерной деятельности. На структурных схемах указываются обобщённые конструктивно-технические и технологические параметры стандартизированных конструктивных элементов (резисторов, катушек индуктивности, батарей и т. д.), необходимые для проведения дальнейших расчётов: их тип и размерность в соответствии с инженерными каталогами, рабочее напряжение, способы наилучшего расположения и соединения, экранировка. Для теории электрических цепей подобные схемы являются исходными: они берутся готовыми из других, более специализированных электротехнических дисциплин и подвергаются в ней теоретическому анализу. При этом следует отличать структурную теоретическую схему от различного рода изображений реальных, встречающихся в инженерной деятельности схем, например, монтажных схем, описывающих конкретную структуру технической системы и служащих руководством для её сборки на производстве. Главные элементы структурной схемы в теории электрических цепей – источник электрической энергии, нагрузка (приёмник электрической энергии) и связывающие их идеализированные конструктивные элементы, абстрагированные от многих параметров реальных конструктивных элементов, входящих в инженерные каталоги. Для этих идеализированных элементов структурных теоретических схем вводятся специальные условные изображения.
Структурные схемы в классических технических науках отображают в технической теории именно конструкцию технической системы и её технические характеристики. В этом случае они позволяют перейти от естественного модуса рассмотрения технической системы, который фиксируется в его поточной схеме (в частности физического процесса), к искусственному модусу. Поэтому в частном случае структурная схема в идеализированной форме отображает техническую реализацию физического процесса. В классической технической науке такая реализация, во-первых, является всегда технической и, во-вторых, осуществляется всегда в контексте определённого типа инженерной деятельности и вида производства. В современных человеко-машинных системах такая реализация может быть самой различной, в том числе и нетехнической. В этом случае термины «технические параметры», «конструкция» и т. п. не годятся. Речь идёт о конфигурации системы, их обобщённой структуре.
Таким образом, в технической теории на материале одной и той же технической системы строится несколько оперативных пространств, которым соответствуют различные теоретические схемы. В каждом таком «пространстве» используются разные абстрактные объекты и средства оперирования с ними, решаются особые задачи. В то же время их чёткая адекватность друг другу и структуре реальной технической системы позволяет «транспортировать» полученные решения с одного уровня на другой, а также в сферу инженерной деятельности. Механизмы взаимодействия этих оперативных пространств могут быть раскрыты в результате методологического анализа функционирования технической теории.


Функционирование технической теории

Анализ и синтез схем

Функционирование технической теории осуществляется «челночным», итерационным путём. Сначала формулируется инженерная задача создания определённой технической системы. Затем она представляется в виде идеальной конструктивной (т. е. структурной) схемы, которая преобразуется в схему естественного процесса (т. е. поточную схему), отражающую функционирование технической системы. Для расчёта и математического моделирования этого процесса строится функциональная схема, отражающая определённые математические соотношения. Инженерная задача переформулируется в научную проблему, а затем в математическую задачу, решаемую дедуктивным путём. Этот путь называется анализом схем.
Обратный путь – синтез схем – позволяет на базе имеющихся конструктивных элементов (вернее соответствующих им абстрактных объектов) по определённым правилам дедуктивного преобразования синтезировать новую техническую систему (точнее, её идеальную модель, теоретическую схему), рассчитать её основные параметры и проимитировать функционирование. Решение, полученное на уровне идеальной модели, последовательно трансформируется на уровень инженерной деятельности, где учитываются второстепенные, с точки зрения идеальной модели, инженерные параметры и проводятся дополнительные расчёты, поправки к теоретическим результатам. Полученные теоретические расчёты должны быть скорректированы в соответствии с различными инженерными, социальными, экологическими, экономическими и т. п. требованиями. Это может потребовать введения соответствующих новых элементов в состав теоретических схем, которые можно рассматривать как коннотации (дополнительные сопутствующие признаки) этих схем и одновременно как ограничения, накладываемые на эти схемы их конкретной реализацией. Формулировка системы коннотаций и ограничений, которые вводятся в виде особых элементов в состав теоретических схем технической теории, может привести к необходимости многократного возвращения на предыдущие стадии, составление новых, с учётом данных коннотаций и ограничений, поточных и функциональных схем, проведение новых эквивалентных преобразований и расчётов.
Таким образом, нижний слой абстрактных объектов в технической теории (структурные схемы) непосредственно связан с эмпирическими (конструктивно-техническими и технологическими) знаниями и ориентирован на использование в инженерном проектировании. Одна из основных задач функционирования развитой технической теории заключается в тиражировании типовых структурных схем с учётом всевозможных инженерных требований и условий, формулировка практико-методических рекомендаций проектировщику, изобретателю, конктруктору и т. д. Тогда решение любых инженерных задач, построение любых новых технических систем данного типа будет заранее теоретически обеспеченным. В этом состоит конструктивная функция технической теории, её опережающее развитие по отношению к инженерной практике. Этим последним фактом и определяется во многом специфика технической теории, которая имеет практическую направленность:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65