Повышение эффективности работы диагностического оборудования сопровождения беременности Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 616-073.43

Повышение эффективности работы диагностического оборудования сопровождения беременности

Сергей Дмитриевич Байкин, аспирант, e-mail:[email protected]

ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва

Евгений Владимирович Биргер, к.э.н., доцент, e-mail:info@ iup.ru

НОУ ВПО «Институт мировой экономики и информатизации», Москва

Александр Павлович Казанцев, к.т.н., с.н.с., e-mail:[email protected]

Пущинский институт биологического и медицинского приборостроения РАН, г. Пущино

Юлия Николаевна Пономарева, д.м.н., проф., e-mail:[email protected]

ГБОУ ВПО «Московский государственный медико-стоматологический университет

им. А.И. Евдокимова», Москва

Представлены возможности эффективного телемедицинского сервиса амбулаторного сопровождения беременности для ранней диагностики осложнений и заболеваний на основе использования портативных интеллектуальных систем.

The article offers opportunities for efficient outpatient pregnancy care telemedical service for early diagnostics of complications and diseases based on portable intelligent system use.

Ключевые слова: кардиотокография, частотная демодуляция, теледиагностика, телемедицинский сервис. Keywords: cardiotocography, frequency demodulation, telediagnostics, telemedical service.

В настоящее время, с помощью использования современных информационных технологий, можно создавать гибкие открытые структуры, перестраивать и дополнять их новыми модулями или внешним программным обеспечением при реализации основных задач учреждения или предприятия, в соответствии с их назначением. Особенно это важно для здравоохранения, которое получает возможность мониторинга при ведении перманентного обслуживания населения. В данном случае вклад медицины в укрепление репродуктивного здоровья состоит из первичной профилактики, диагностики, лечения и реабилитации, в том числе и с помощью вспомогательных репродуктивных технологий, и условно оценивается по распространенности бесплодия и по показателям заболеваемости.

В результате достижений научно-технического прогресса современные лечебные учреждения и отдельные работники получили широкий доступ к технологиям электронных и информационных коммуникаций. Однако при этом не только появились новые возможности, но и возникли многочисленные проблемы, что требует инновационного развития этих технологий в соответствии с экономическими, технологическими и социальными тенденциями развития рынка.

Сохранение здоровья женщин во время беременности - одна из основных задач системы здравоохранения для обеспечения высоких показате-

лей при деторождении. Будущая мать обладает значительным иммунитетом за счет наличия естественных барьеров в своем организме, вследствие известных причин, к которым относятся:

• микробные ассоциации нормальной микрофлоры человека;

• нарушение баланса между представителями микробиоценозов, который приводит к возникновению источника инфекции в самом организме.

Полное подавление нормальной микрофлоры за счет искусственных манипуляций и мероприятий резко снижает колонизационную резистентность микроэкологических ниш и делает эти участки практически беззащитными перед любыми микроорганизмами.

По результатам исследований, показатели здоровья женщин детородного возраста в нашей стране оставляют желать лучшего1. Кроме того, меняются социальные условия жизни, в результате чего выросла доля женщин, планирующих родить ребенка только после достижения определенного положения в обществе, а это значит, что увеличивается доля впервые рожающих женщин, достигших тридцатилетнего возраста. А с возрастом, как правило, здоровья не прибавляется, могут развиться хронические заболевания, да и системы ор-

1 http://www.my-pregnancy.ru/pregnancy_diseases/

ганизма работают и справляются с нагрузками все хуже, тем более что это касается женщин, находящихся в напряженной ситуации - делающих карьеру или неустанно добывающих материальные блага. Генетические изменения в организме с возрастом сильнее проявляются из-за того, что на хромосомы дольше воздействовали разнообразные токсичные вещества, различные лекарства и инфекции.

Беременность приводит к активизации работы всех органов и систем женщины, но снижает активность иммунной системы, что зачастую вызывает обострение хронических и инфекционных заболеваний или способствует развитию старых недомоганий и восприимчивости к новым заболеваниям. При наличии, возникновении и прогрес-сировании некоторых заболеваний беременность женщине не рекомендуется, но в настоящее время с развитием медицины и появлением эффективных методов лечения многих болезней перспектива благополучно выносить и родить здорового ребенка значительно выросла. Необходимо учитывать, что инициирование и развитие большинства заболеваний в период беременности требует особых мероприятий для их лечения или хотя бы снижения негативного влияния болезни на формирование плода. Такое явление, как замершая беременность, может наблюдаться у женщин любого возраста, и возникновению данной патологии способствует стечение многих факторов и обстоятельств. Под замершей беременностью понимают патологию развития беременности, при которой происходит прекращение развития и роста плода, в результате чего он гибнет. Замершая беременность может спровоцировать возникновение воспалительных процессов в женском организме, а также привести к другим нежелательным последствиям. В частности, она представляет некоторую угрозу для будущего потомства. Симптомы замершей беременности могут наблюдаться на ранних и поздних сроках вынашивания плода, при этом признаки во втором триместре будут отличаться от таковых на ранних сроках.

Надо отметить, что у беременных женщин первое место среди всей экстрагенитальной патологии занимают сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ). Частота обнаружения болезней сердца у беременных колеблется от 0,4 до 4,7% 2. В по-

2 http://pregnancy.h1.ru/health/pregnancy/hronik/health2.htm

следнее время наблюдается увеличение числа беременных и рожениц, страдающих ССЗ, что объясняется рядом причин: ранней диагностикой заболеваний сердца, расширением показаний к сохранению беременности, увеличением группы женщин, оперированных на сердце, и числа серьезно больных женщин, которые либо сами, либо с разрешения врачей решают сохранить беременность, будучи уверенными в успехе медицинской науки и практики.

Во время беременности сердечно-сосудистая система (ССС) даже относительно здоровых женщин претерпевает существенные изменения. Значительно увеличивается (на практике до 80 %) минутный объем сердца, особенно на 26 - 28 неделях беременности, с постепенным снижением этого показателя к родам. На 30 - 50 % возрастает объем циркулирования крови (ОЦК) за счет ОЦП, достигая своего максимума к 30 - 36 неделям беременности. Одновременно на 5 - 6 литров в организме беременной увеличивается объем внеклеточной жидкости. Это создает весьма существенную дополнительную нагрузку на ССС, и, как следствие, почти у 30% здоровых беременных выслушивается систолический шум над легочной артерией и верхушкой сердца. Как правило, усиливается 2-й тон над легочной артерией, нарушаются возбудимость и проводимость сердечной мышцы, возникают аритмии.

В работе [1] под управляющим процессом контроля и регуляции общего функционального состояния организма (ФСО) был определен системный процесс ритма сердца, исследуемый на ЭКГ, который обладает стабилизирующей и согласующей функцией совокупности макропроцессов и биоритмов всего организма. При этом соответствующие функции управления идентифицированы с функциями головного мозга и центральной нервной системы. Кроме того, были приведены основные функции сердца и характеристики ЭКГ и ЭЭГ, а также обоснована необходимость синхронной регистрации ЭКГ и ЭЭГ для поиска источников управления и регуляции ритма сердца в требуемых частотных диапазонах.

В качестве стандарта для сопоставления результатов автором [1] принят метод вариабельности сердечного ритма (ВСР) и показано, что выход системного процесса из стационарного состояния дальше уровня естественных флуктуаций гомео-статической функции в норме является необрати-

мым переходным процессом. Его эволюция в целом определяется как нестационарный процесс с непрогнозируемой причинно-следственными отношениями динамикой, что, в свою очередь, является объектом изучения теории нелинейных колебаний и динамических систем.

На практике применение стандартного метода оценки ВСР показало, что параметры ВСР не являются комплементарными и в общем комплексе не могут сформировать фактор ФСО. Поэтому предлагается система параметрических функциональных зависимостей ВСР, определяющая режимы изменчивости ритма сердца, что позволяет оценивать нормы границ параметров ВСР для любых длин записей. Это является предпосылкой создания единых методик и стандартов норм ВСР как фактора ФСО при групповом анализе ее параметров и фактора прогнозной оценки ФСО при временной серии регистраций.

На этой основе создан был комплекс автоматизированных систем анализа ритма сердца, включающий в себя основную программу «Системного анализа ритма сердца» (САДР) и совокупность расчетных модулей программного обеспечения для визуализации, трансформации, обработки и анализа ЭКГ информации. Автором указанной работы были предложены формы экспертной информации в виде моделей «эталонного» и идеализированного ритма сердца и проведен сопоставительный анализ виртуальных и реальных диаграмм ритма сердца.

Однако, как показано выше, задача значительно усложняется, когда проводится анализ не одного, а двух взаимоувязанных организмов: матери и плода во время вынашивания беременности. Такой подход, заявленный ранее в работе [2] авторами данной статьи, получил одобрение международного научного сообщества на конференции «IEEE-EMBS Int. Conf. on Biomedical and Health Informatics, 2-7 Jan 2012, Hong Kong and Shenzhen, China». Практическая реализация этой идеи на аппаратурном уровне представлена в работе [3].

Решение поставленной задачи связывается с приборным оснащением беременных женщин аппаратурой диагностики в пренатальный период. При этом приоритетным направлением является кардиотокография (КТГ) - синхронная регистрация частоты сердечных сокращений или кардио-интервалов плода и тонуса матки.

Сигналы, регистрируемые специально разработанными авторами датчиками, в своей совокупности содержат информацию, необходимую в пренатальный период для клинических решений, а возможно, и более «мягких» - доклинических. Надежные заключения даются специалистами только после соответствующей компьютерной обработки кардиотокографических записей (КТГ), что доступно в клинике или в исследовательской лаборатории. Возможность использования современных сетевых систем амбулаторного сопровождения беременности имеет определенные принципиальные ограничения, в связи с чем внимание исследователей привлекают технологии искусственного интеллекта (ИИ). Наиболее перспективной является разработка технологии пренатального мониторинга с автоматическим распознаванием приближения опасных состояний на основе экономически доступных интеллектуальных мониторов с использованием портативных ультразвуковых доплеровских сонаров и мобильных ПК (планшетных, нетбуков, коммуникаторов).

Авторами в работе [3] была обоснована современная архитектура облачной информационной системы (рис. 1) внебольничного телемедицинского сервиса, которая предполагает расширение предлагаемого способа диагностирования беременных с тем, чтобы обеспечить его повсеместное использование. В частности, проблема вагинита у больной во время беременности для врача является неотъемлемой и самой непростой частью ведения беременности. Известно, что у 65% процентов беременных женщин воспалительный процесс в слизистой оболочке влагалища возникает вне зависимости от срока беременности и наличия его в анамнезе3. К тому же, неправильная постановка диагноза и неадекватное лечение воспалительного процесса может стать причиной не только развития внутриутробной инфекции ребенка, но и привести к невынашиванию плода, а также преждевременным родам или выкидышу. На разных сроках беременности у женщины появляется временное состояние иммунодефицита, который зачастую может проявляться не только в возникновении различных вирусных заболеваний, но и в развитии неспецифического бактериального вагинита.

Предложенная система теледиагностики основана на анализе вариабельности частоты сердечных

3 http://ztema.ru/illness/286/4/

Рис. 1. Схема облачной информационной системы телемедицинского сервиса

сокращений плода, использует методы искусственного интеллекта и реализуется средствами LabVIEW и Matlab. Изменяющаяся во времени ритмограмма получается и анализируется на сервере приложений из доплерограмм (рис. 2), записываемых с помощью ручных ультразвуковых сонаров мобильных телемедицинских комплексов (МТК). Аппаратно-программной платформой мобильного комплекса может служить портативный или планшетный персональный компьютер, а также коммуникатор или смартфон. На диаграмме развертывания (рис. 3) показан вариант, реализованный на коммуникаторе с операционной системой Android, в котором используется графический язык моделирования Unified Modeling Language (UML).

Робастное детектирование ритма сердечных сокращений плода осуществляется благодаря частотной демодуляции, так как на частотную огибающую доплерограммы практически не влияют амплитудные искажения и аддитивные помехи. По критерию неопределенности спектра ритма на основе энтропии Шеннона автоматически исключаются ложные тревоги, вызванные шевелением плода. Использование разработанных критериев, характеризующих потенциал поражений в организмах матери и плода, наряду с традиционными

факторами прогноза позволяет определить вероятность прогрессирования начальных заболеваний и повысить эффективность программы ведения пациенток высокого риска.

Предложенная тактика ведения пациенток обладает высокой эффективностью при использовании в лечебно-профилактических учреждениях. Были разработаны рациональные молекулярно-биологические критерии постлечебного мониторинга [4], когда на начальной стадии исследований проводился подбор обследованных в группы изучения: 215 пациенток с цервикальной интраэпите-лиальной неоплазией 1-111, 154 больных раком шейки матки 1а—III стадий, 50 здоровых женщин. Осуществлялся забор материала для ПЦР-детекции генитальных инфекций, ИФА-анализа цитокинов цервикальной слизи, бактериоскопического и цитологического исследования, выполнялась расширенная кольпоскопия и биопсия шейки матки, эндо-цервикальный кюретаж с подбором образцов для иммуногистохимического исследования. Результаты этих исследований были положены в основу дальнейшего аппаратурного анализа течения беременности, сфера использования в котором современной телемедицины постепенно расширяется.

Рис. 2. Доплерометрия частоты сердечных сокращений плода: а, б - доплерограмма; в - спектр мощности доплерограммы; г -основной сигнал ритма; д - ритмограмма сердечных сокращений

Кроме того, выполнялось оперативное лечение (электрокоагуляция, электроэксцизия шейки матки, пангистерэктомия, расширенная экстирпация матки по Вертгейму), ведение и 5-летнее диспансерное наблюдение пациенток с цервикальной интраэпителиальной неоплазией и раком шейки матки. В процессе проведения статистической выборки пациентки с тяжелой соматической патологией, имеющие опухоли других локализаций, с отсутствием возможности динамического 5-летнего наблюдения и выбывшие из наблюдения, последовательно исключались методом компьютерного распределения. Важность подобного направления исследований понятна, так как эффективность существующих методов терапии, например, предра-ка и рака шейки матки напрямую зависит от степени ее поражения.

Статистическая обработка данных проводилась в соответствии с правилами вариационной статистики, где данные (п - объем анализируемой подгруппы) представлены в виде М ± т (М - среднее арифметическое, т - ошибка среднего). Критический уровень значимости при проверке статистических гипотез оценивался с помощью 1>1е81;, с учетом того, что статистически достоверные значения р < < 0,05 (р - достигнутый уровень значимости).

При анализе качественных признаков следует учитывать оценку долей в совокупности с расчетом стандартной ошибки доли с применением формулы Бернулли. Вероятность развития рецидива оценивалась при помощи модели пропорциональных рисков Кокса с применением критерия Кокса. Анализ выживаемости и построение кривых выживаемости осуществлялась по методу Каплана-Мейера,

Рис. 3. Диаграмма развертывания мобильного телемедицинского комплекса с использованием графического языка моделирования имь

статистическую значимость различий между кривыми - при помощи критерия Гехана-Вилкоксона. Для изучения силы и значимости взаимосвязей между различными иммунобиологическими парамет-

рами использовался многофакторный корреляционный анализ, при оценке степени их влияния на развитие отклонений в организме - метод множественной линейной регрессии.

Предлагаемая система отличается простотой использования, экономической доступностью и возможностью массового применения. Предполагается использовать данный метод на базе женских консультаций при обращении беременных женщин, что позволит существенно увеличить гарантию вынашивания здорового плода и успешного деторождения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кузнецов А. А. Методы анализа и обработки электрокардиографических сигналов: Новые подходы к выделению информации: монография. Владимир: Изд-во Владимирского гос. ун-та. 2QQ8.

2. Kazantsev A., Ponomareva J., Kazantsev P., et al. Development of e-health network for in-home pregnancy surveillance based on artificial intelligence // Proc. of the IEEE-EMBS International Conference on Biomedical and Health Informatics (BHI 2Ql2). Hong Kong and Shenzhen. China. 2 - Jan 2Ql2. P. 82 - 84.

3. Гомов Е.Е., Казанцев А.П., Пономарева Ю.Н., Сенин A.A. Телемедицинская система амбулаторного сопровождения беременности // Тр. 5-й Троицкой конф. «Медицинская физика и инновации в медицине» (ТКМФ-5). РАН. 4 - 8 июня 2Ql2 г. С.б.

4. Пономарева Ю. Н. Молекулярно-биологические факторы в патогенезе, диагностике и прогнозировании цервикаль-ной неоплазии. Автореф. докт. дисс. М.: МГМСУ. 2Qll.

Поступила 06.07.2012 г.

МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ПРОЦЕССЫ

УДК 621.5-7

Проблемы создания нанопродуктов с использованием нанотехнологий

Владимир Анатольевич Васин, к.т.н., доцент, e-mail: [email protected]

Наталья Георгиевна Фатьянова, аспирант

Богдан Алексеевич Трошин, аспирант

Борис Никитович Васичев, д. физ.-мат. н., проф.

Сергей Валентинович Степанчиков, к.т.н., доцент

ФГБОУ ВПО «Московский институт электроники и математики НИУ «Высшая школа экономики», Москва

Предложен комплексный подход к организации научного поиска, разработке технологий и методов производства, который требуется при создании и внедрении нанопродуктов, нанотехнологий и микросистемной техники; показано, что перспективы использования наноструктур связаны с возможностью существенной модернизации свойств известных веществ, материалов и изделий из структурных элементов нанометрового диапазона; рассмотрены проблемы, возникающие при производстве нанопродуктов, а также технологические, метрологические и эксплуатационные особенности их внедрения.

Organization of the creation and implementation of nano, nanotechnology and microsystems technology requires a comprehensive approach to the formation of scientific research, technology development and production methods, including the creation of the technical basis for implementation of these processes. Prospects for the use of nanostructures associated with a significant opportunity to upgrade the properties of known substances, materials and products of the structural elements of the nanometer range. A number of problems of creating and implementing nano, nanotechnology and related equipment.

Ключевые слова: нанотехнология, фуллерены, нанотрубки, свойства нанообъектов.

Keywords: nanotechnology, fullerenes, nanotubes, properties of nanoobjects.

В современном понимании нанотехнологический процесс - это рукотворное создание нанообъектов из атомов с заданными физико-химическими свойствами, которые лягут в основу формирования новых материалов, а также современных объектов электроники и информатики, энергетики и транспорта, пищевых и медико-биологических продуктов и многого другого, что свидетельствует о начале разработки принципиально новых технологических процессов, не имеющих аналогов в прошлом.

В настоящее время имеются обнадеживающие результаты исследований свойств некоторых нанообъектов. Так, например, знания, полученные фундаментальной и прикладной науками и накопленный в ходе экспериментов материал, позволяют создавать методические рекомендации, обеспечивающие разработку новых материалов и объектов исследования, совершенствовать технологии

производства, а также изготавливать современное научное и производственное оборудование.

Многие из перспективных направлений в материаловедении, наноэлектронике и прикладной химии связывают в последнее время с фуллеренами, нанотрубками и другими похожими структурами, которые можно назвать общим термином «каркасные» структуры [1 - 4]. Углеродные каркасные структуры - это большие (иногда гигантского размера) молекулы, состоящие исключительно из атомов одного элемента - углерода. Главная особенность таких молекул - их каркасная форма, которая выглядит как замкнутая, пустая оболочка. Каркасные структуры являются новой аллотропной формой материи. В 1985 г. была открыта новая форма углерода: сферическая структура из 60 атомов углерода. Такие углеродные кластеры стали называть фулле-ренами. В 1991 г. были обнаружены другие формы

углерода: продолговатые трубчатые образования, названные нанотрубками. Данные структуры состоят из сетки атомов углерода в форме гексагонов и могут рассматриваться как цилиндры, скрученные из планарной графеновой плоскости.

Каркасные структуры имеют очень малую массу и в то же время рекордно высокий модуль упругости (до 1 ТПа). Нанотрубки на данный момент являются тончайшими из когда-либо полученных волокон. Их прочность примерно в 20 раз больше, чем у самой прочной стали, а теплопроводность примерно в 2 раза выше, чем у алмаза. Кроме углеродных структур, научились получать бор-азотные и другие нанотрубки.

До определенного момента наночастицы не подвергались тщательному анализу, но в результате научного прогресса были открыты их свойства. Например, наблюдается широкий диапазон различных форм: конусообразные, дисковые и другие структуры. Частицы многогранных форм иногда имеют пентагональные и гексагональные профили. Исследования с помощью электронных микроскопов с высокой разрешающей способностью (около 0,1 нм) свидетельствуют о том, что наноча-стицы могут выглядеть или как замкнутые концентрические, или как незамкнутые ракушкооб-разные структуры. Также встречаются разрывы в виде линейной дислокации. Наиболее вероятно, что их первоначальные структуры родственны, а зарождение подобно.

Структуры наночастиц пока не исследованы детально, поэтому большое значение приобретает дальнейшая работа как в области фундаментальных исследований, так и со стороны потенциальных приложений этих структур. Изучение таких наноструктур, как бактерии и вирусы, фаги и другие микроорганизмы, нанообручи и наноконусы, фуллерены, нанотрубки и вискерсы все еще находится на начальном этапе (в зародыше). Вполне возможно, что дальнейшие исследования данных структур могут привести к открытию еще более замечательных свойств микромира. Свидетельством этому является, например то, что одни и те же атомы при определенных условиях могут формировать вещество, обладающее как свойствами проводников электрического тока, так и изолирующими свойствами.

Свойства нанообъектов

Наиболее удивительные из всех физических свойств - электронно-транспортные свойства графита, неупорядоченных углеродов и углеродных волокон. Исследования этой группы объектов по-

казало, что электрические свойства графитов и графитизированного углерода могут сильно меняться в зависимости от степени кристаллического упорядочения атомов.

Только из атомов одного элемента, например углерода (состоящих из 6 электронов, 6 протонов и 6 нейтронов), могут быть образованы различные формы кристаллической структуры углерода и, как следствие, конфигурации нанообъектов. Доказательством существования сложных структурных процессов, происходящих при формировании на-нообъектов того или иного вида, могут служить экспериментальные результаты, полученные в ряде лабораторий. Следует напомнить, что углерод является основой жизни на Земле. Поэтому исследование углеродных нанообъектов представляет особый интерес. Эти объекты можно назвать точками кристаллизации, поскольку в них начинается кристаллизация (а значит, развитие и образование) вещества. До сих пор существовала некоторая неопределенность относительно начального этапа образования тех или иных форм нанообъектов. Это важный этап исследования, так как без понимания этого процесса невозможно управлять формированием требуемых нанообъектов.

Модели наносборки или роста нанообъктов

До сих пор нет ясности относительно начального этапа образования кристаллической решетки, например сажи. Исследователи Г. Крото и Р. Смоли [5] заинтересовались, могут ли фуллереноподоб-ные структуры участвовать в процессе образования структур типа сажи. Углеродные частицы в саже, как и фуллерены, образуются при конденсации углеродных фрагментов из газовой фазы, но в отличие от сажи имеют сферическую форму. Кро-то и Смоли предложили механизм образования сажи, основанный на модели «пентагонального пути». Эта модель аналогична образованию фул-леренов. Позже Крото и МакКей усовершенствовали эту модель. Новая модель, вокруг которой разгорелись споры ученых, рассматривает рост углеродного объекта за счет внедрения пентагональ-ных колец в растущую углеродную сетку. Если эти пятиугольники занимают соответствующие позиции, то образуется система С60 (система из 60 атомов) или другие фуллерены. Однако в общем случае замкнутая структура с ростом закручивается по спирали по типу морской раковины. При увеличении размеров эта спиральная структура становится похожей на многогранник.

Изучение и наблюдение столь малых объектов вызывает большие трудности, которые заклю-

чаются в основном в отсутствии электронных микроскопов с разрешающей способностью менее 0,1 нм. Для достижения требуемой разрешающей силы электронных микроскопов было решено увеличить ускоряющее напряжение, и тогда появились сверхвысоковольтные электронные микроскопы: в Англии, Японии, США - до 1,2 МВ, во Франции - до 3 МВ.

Свойства наноустройств

Углеродные нанотрубки, часто имеющие диаметры меньше 10 нм, находятся в таком диапазоне размеров, где в сильной мере проявляются квантовые эффекты отдельных атомов, определяющие не только необычную симметрию форм, но и такие физические свойства, как электропроводность, магнитные свойства и др. Данные объекты могут демонстрировать то свойства металла, то - полупроводников.

Это свидетельствует о том, что из данных объектов можно конструировать, например, нано-приборы для наноэлектроники. Из одного и того же вещества (углеродных нанотрубок) можно собрать нанодиоды по МОП-нанотехнологии, так как нанотрубки могут обладать свойством полупроводника, для контактов использовать нанот-рубки, обладающие хорошей проводимостью, и все это разместить на так называемой нанопод-ложке из трубок-изоляторов.

Среди разнообразных исследований последних лет наибольший интерес представляют результаты исследований электронной структуры и транспортных свойств нанообъектов.

Модель Слончзевки-Вейса-МакКлюре [5] позволяет определить электронно-транспортные свойства графита. Эти вычисления сложны и не всегда дают полное согласие с экспериментом. Однако они показывают, что графит имеет плотность носителей заряда порядка 1018 см-3, т.е. около одного носителя на 104 атомов. Следовательно, его проводимость очень низкая по сравнению с медью, имеющей один свободный носитель на атом. Одновременно носители заряда обладают относительно высокими подвижностями, что сказывается на температурной зависимости электрического сопротивления образцов. Электрические свойства графитовых структур сильно меняются в зависимости от степени кристаллического строения.

На рис. 1 показана зависимость сопротивления различных форм углеродных структур от температуры. Эти графики свидетельствует о том, что внутренняя структура атомов углерода перестраивается при изменении температуры, а возможно, происходят и более глубинные процессы, под

влиянием которых изменяются физические свойства нанообъектов. Если бы атомы состояли из однотипных заряженных шариков (электронов и протонов), ничего бы подобного не происходило при изменении теплового потока между ними, и вряд ли они могли бы так демонстрировать разнообразие формообразования и свойств.

0 100 200 300 т, к

Рис. 1. Зависимость электрического сопротивления от температуры разных форм углерода: 1 - пленка, полученная методом вакуумного испарения; 2 - стеклообразный углерод; 3 -сажа; 4 - коксовый уголь; 5 - пиролитический углерод; 6 -углеродные вискерсы; 7 - высокоориентированный пирогра-фит; 8 - монокристалл графита

Углеродные волокна различаются по своим электронным свойствам. Так, у высокосовершенных волокон зависимость сопротивления от температуры близка к зависимости для монокристаллического графита, а у менее совершенных - ближе к разупорядоченному углероду. Так называемая химическая обработка, т. е. образование химического соединения, оказывает воздействие на состояние структуры нанообъектов из углерода. При такой обработке, например кислотами, их проводимость возрастает и может превосходить проводимость даже меди.

Исследователи из Католического университета Лувена в Бельгии были среди первых, кто представил электрические измерения на индивидуальных многослойных нанотрубках. На трубке диаметром около 20 нм и длиной приблизительно 800 нм исследовалась зависимость электрического сопротивления от температуры (вплоть до температуры ~ 30 мК) и магнитного поля. Было обнаружено, что сопротивление повышается при уменьшении температуры по закону 1пТ для температур выше 1 К. Ниже температуры ~ 0,001 мК сопротивление не менялось.

Такие нанообъекты можно использовать для конструирования наноразмерных датчиков изменения температуры, устанавливаемых в ответственных узлах различных технических средств, а также микробиологии.

В этих датчиках чувствительным элементом (элементами) могут быть нанообъекты с определенной зависимостью электрического сопротивления от температуры, а в качестве электродов - нанообъекты с хорошей проводимостью и отсутствием зависимости электрического сопротивления от температуры. Размещаться такие датчики могли бы в многослойных капсулах из нанотрубок.

Интересен для практического использования и тот факт, что кристаллические нанопроводники, помещенные в магнитное поле, увеличивают свое электрическое сопротивление. Данный эффект объясняется сопротивлением движению носителей тока (электронам), из-за сильной поляризации их магнитных диполей (магнитных моментов), в атомах кристаллической решетки. В разупорядочен-ных углеродных объектах, помещенных в магнитное поле, электрическое сопротивление уменьшается, так как ориентация магнитных моментов (магнитных диполей электронов) становится неопределенной, т.е. возникает деполяризованность. У углеродных волокон наблюдается как повышенная, так и пониженная проводимость, что свидетельствует о разупорядоченности осей магнитных моментов.

Не менее увлекательные сюрпризы преподносят нанотрубки в магнитном поле. При направлении магнитного поля вдоль оси нанотрубки с ростом напряженности магнитного поля трубка с металлическими свойствами сначала становится полупроводящей, а затем снова металлической с периодической зависимостью при увеличении напряженности магнитного поля (рис. 2). Такое поведение нанотрубок в магнитном поле обычно объясняют с позиций так называемого эффекта Аронова-Бома, согласно которому магнитное поле изменяет граничные условия, определяющие нарезание графеновых энергетических ветвей. Регистрируемая величина напряженности магнитного поля уменьшается с ростом диаметра нанотрубок. Для трубок диаметром ~ 0,7 нм требуется максимальная напряженность поля до 10 500 Тл, а для трубок с диаметром ~ 30 нм - всего 5,9 Тл.

Такие нанообъекты могут использоваться при создании нанодатчиков для измерения и контроля магнитной напряженности полей в микросистемой технике. Например, чувствительным элементом (элементами) могут быть нанообъекты с опреде-

5,0 К 0,5 К 0,05 К

Теоретическая зависимость

0 2 4 6 8 10 12 14 _Н,Тл_

Рис. 2. Зависимость магнитопроводимости углеродных наноструктур от вектора напряженности магнитного поля Н при низких температурах и теоретическая зависимость квантования энергии поляризации

ленной зависимостью проводимости от напряженности магнитного поля. Проводниками могут служить нанообъекты с хорошей проводимостью. Возможно капсулирование этих наноустройств. В качестве капсул могут быть использованы как фул-лерены, так и нанотрубки с замкнутыми концами.

При определении зонной структуры графита предполагается, что графеновые плоскости бесконечны в двух направлениях, а граничные условия определяются на макроскопическом масштабе. В случае с нанотрубками имеется структура, вытянутая вдоль волоконной оси, но с микроскопической окружностью атомных размеров. Поэтому число разрешенных электронных состояний по окружности весьма ограничено, тогда как в направлении оси оно больше. Так, все однослойные нанотрубки кресельного типа обладают металлическими свойствами, что подтверждено экспериментально. «Кресельное» строение подобно структуре (рисунку) креслоплетения из прутьев. Нанот-рубоки с зигзагообразной структурой оболочки могут обладать свойствами не только металла, но и полупроводника. Часть хиральных нанотрубок также обладает свойствами металла, а часть - полупроводника, что связывают с диаметром трубки и хиральным углом. На самом деле это объясняется глубинным возбуждением частиц атомов, что и влияет на атомную решетку.

Наконец, когда речь заходит об электронных свойствах одномерных проводников, важно вспомнить возможность пайерлсовского перехода, которая впоследствии рассматривалась рядом исследовательских групп. Эффект, предсказанный много лет тому назад Р. Пайерлсом, связан с искажением решетки при низких температурах, ко-

торое приводит к расщеплению самой верхней ветви одномерной структуры металла, что способствует дальнейшему росту, но уже в виде полупроводниковой структуры.

Отсюда можно сделать вывод, что из одних и тех же атомов, при деформации их внутренней структуры (перестройке под влиянием внешних факторов), можно формировать нанотрубки с изменяющимися свойствами вдоль оси трубки, т.е. осуществлять изготовление целого наноузла электронной схемы.

При теоретическом изучении электронных свойств многослойных нанотрубок (например, Р. Саито с коллегами и др. [5]) было обнаружено, что эти свойства изменяются при изменении расположения одной трубки по отношению к другой. Сдвиг одной трубки относительно другой приводит к межслойным взаимодействиям, т. е. к взаимодействию между атомам, которые и превращают металлические нанотрубки в полупроводниковые. На это превращение опять оказывает взаимное влияние внутреннее возбуждение атомов при смещении атомов относительно друг друга, или на языке математики - определяющим являются граничные условия.

Устройства, в которых используется сдвиг одной трубки относительно другой, могут найти применение при регистрации наносдвиговых деформаций, а также растяжении деталей в наноуз-лах микросистемной техники и др.

Довольно часто наблюдаются так называемые «локтевые» соединения между нанотрубками различных структур. Было показано, что соединение между металлической и полупроводниковой трубками должно представлять собою наномасштабный гетеропереход. Такие переходы могут служить основой для многих типов электронных приборов, например диодов. Однако в настоящее время отсутствует контроль, необходимый при производстве подобных переходов. Его надо разрабатывать, и это еще одна из проблем нанотехнологий.

Все это свидетельствует в пользу того, что из одних и тех же атомов, несколько изменяя их внутреннюю организацию, можно формировать наноустройства с отличающимися эксплуатационными свойствами.

Удивительные свойства демонстрируют однослойные, многослойные нанотрубки и квантовые проволочки, например, эффект баллистического транспорта (или каналлирования) электронного тока. Он происходит без какого-либо рассеяния электронов на примесях и фононах. Фактически электроны не испытывают никакого сопро-

тивления своему движению, и в нанопроводнике не происходит никакой диссипации энергии. Это говорит не только о перспективах создания на данной основе сверхбыстродействующих электронных приборов нового поколения, а также электронных инжекторов и катодов для вакуумной наноэлектроники.

На рис. 3 представлен проект конструкции нанодиода из пучка нанотрубок. Предлагается его изготовление осуществлять по МОП-технологии микроэлектроники, но при этом возникает проблема в технологии перемещения, закрепления и точного расположения пучка в месте, где будут наноситься контактные площадки. То есть нужен высокоточный манипулятор и система электронного микроскопа, обеспечивающая наблюдение за технологическим процессом. Все это должно быть размещено в технологической камере осаждения через маску. Такая работа требует специалистов по разработке подобного оборудования, технологии разработки и изготовления этого оборудования, а также соответствующего финансирования.

Рис. 3. Нанодиод в планарной схеме МОП-нанотехнологии. Активный элемент из нанотрубок (проект)

Кроме того, возникают технические проблемы не только создания нанопродуктов и нанотех-нологий, но и создания микросистемной техники, поскольку для исследования, моделирования и изготовления нанообъектов, а также для реализации предлагаемых проектов необходимо соответствующее технологическое оборудование, для разработки и внедрения которого, в свою очередь, требуются принципиально новые наукоемкие высокотехнологичные приборы и устройства [6 - 10].

Также разработчики нанопродуктов и нано-технологий столкнулись с двумя очень сложными проблемами: наблюдать объекты с разрешающей способностью не менее 0,1 - 0,01 нм и манипулировать ими. Эти проблемы объясняются тем, что наноструктуры представляют собой особый вид объектов - это не видимые не только невооруженным глазом, но даже и с помощью самых сильных оптических приборов объекты технологического процесса. Следовательно, если объект нельзя увидеть, то, естественно, невозможно с ним работать. Однако самые совершенные электронные микроскопы не приспособлены к участию в технологических процессах, так как они являются лабораторными приборами.

Если первая проблема в настоящее время частично решается - имеется возможность рассмотреть объект, то к решению второй проблемы еще не приступали. В качестве примера, допустим, что уже можно получить наношестерни и нановал, но как их объединить в конструктивную пару? Данный вопрос пока остается без ответа.

Технологические проблемы

Технологические проблемы создания и внедрения нанопродуктов, нанотехнологий и микросистемной техники неразрывно связаны с рассмотренными выше проблемами. Переход к нанотехнологии это переход от объектов, имеющих размеры единиц миллиметров, к оперированию с объектами, имеющими размеры единиц нанометров. На рис. 4 показаны диапазоны размеров, используемых в разных отраслях промышленности.

Диапазоны размеров, используемых в разных отраслях промышленности.

Машиностроение

Микроэлектроника

Нанотехнологии

1 10"3 10"6 10"9 метры миллиметры микрометры нанометры

Рис. 4. Шкала линейных размеров в практической деятельности человека

В связи с этим можно сформулировать основные цели, стоящие перед разработчиками на-нотехнологий:

• целенаправленный синтез наноструктур «снизу - вверх» на уровне атомов;

• разработка различных материалов на атомно-молекулярном уровне;

• создание методологии атомно-молекулярного конструирования наноструктур с заданными свойствами;

• создание манипуляторов с атомным разрешением;

• создание методов диагностики нанообъектов с атомным разрешением и относительной чувствительностью не менее 10-9 %. Многие из перспективных направлений в материаловедении, наноэлектронике и прикладной химии связывают в последнее время с фуллерена-ми, нанотрубками и другими похожими структурами, которые можно назвать общим термином «каркасные» структуры.

Использование каркасных наноструктур открывает возможности для получения материалов и

устройств с новыми и пока еще экспериментально не изученными свойствами [11, 12].

В качестве примера успешного завершения разработки нанотехнологических процессов изготовления можно назвать выпуск нанотрубок для взятия капли крови у пациента при определении количества глюкозы в крови больных диабетом. Нанотрубка имеет диаметр 5 - 10 нм и длину 1 мм. Ее проникновение в кожу человека безболезненно. Разработан прибор автоматического определения глюкозы в крови. Больные смогут использовать это устройство в любое удобное для них время.

Созданы нанокапсулы с инсулином для борьбы с диабетом. В настоящее время они проходят испытание пока на грызунах, в дальнейшем испытания проведут на обезьянах и уж затем на человеке.

Множественность аллотропных форм углерода и их электрофизических свойств (от диэлектрических до полупроводниковых) определила целесообразность использования углеродных, кластерных систем. Однако следует привести пример неудачный попытки усовершенствования технологии транзисторов (см. рис. 3) с использованием нанотрубок, которое велось в течение долгого времени как теоретически, так и экспериментально. К сожалению, до производства так дело и не дошло. Данная проблема была связана с трудностями, возникшими на пути внедрения нанотехно-логии из-за отсутствия соответствующего оборудования.

Для реализации достигнутых результатов необходима разработка принципиально нового технологического оборудования.

По прогнозам аналитиков, в числе перспективных можно перечислить следующие проекты: создание наноматериалов (на базе нанотрубок), выпуск топливных элементов нового типа и солнечных генераторов, а также биологических нано-систем и наноустройств на основе наноматериа-лов, производство наноизмерительной техники, организация нанообработки и многое другое. В медицине прогнозируется лечение не вообще болезней, а индивидуально человека, используя его генетическую информацию, причем с адресной доставкой медикаментов.

Тем не менее, перечисленные проблемные вопросы, связанные с внедрением нанообъектов или принципиально новых материалов в изделия нанотехники, не мешают приступить к их реализации, т.е. к разработке нанотехнологий.

Следует отметить, что приведенные технологии отличаются от рекламируемых сейчас якобы нано-

технологий тем, что они должны в своей основе содержать результаты исследований, которые были рассмотрены выше. Все без исключения рекламируемые технологии являются либо давно известными, либо несколько усовершенствованными, но к новым нанотехнологиям они имеют косвенное отношение, хотя авторы этих реклам утверждают обратное, исходя из того, что все на Земле состоит из атомов, т.е. из наночастиц, а значит, по их мнению, это относится и к технологиям. Данная терминологическая проблема становится и экономической, поскольку происходит подмена понятий и увод средств от истинных нанотехнологий.

Метрологические проблемы

Решение метрологических проблем связано с необходимостью создания новой измерительной техники и методик, стандартизацией, сертификацией, эталонированием и многим другим. Для решения этих задач прежде всего необходимо разработать методики приготовления эталонов в нано-метровом диапазоне. Использование аппаратных методов в данном случае невозможно из-за малости размеров и не соответствующей требованиям нанотехнологии погрешности существующих измерительных приборов.

В качестве эталонов на ранней стадии их разработки были использованы латексы, многослойные объекты (пакеты пленок), кристаллические решетки твердых тел. Минимальное расстояние между атомными слоями кристаллической решетки было обнаружено в кристалле никеля. Оно составляет 6,2 нм. В настоящее время это минимальный доступный линейный размер, который может служить эталоном. Для распространения этого размера на другие нанообъекты необходимо, чтобы стабильность измерительных устройств была не менее 10-6. Необходима разработка современных методик измерения, их стандартизация и унификация.

Таким образом, показано, что инновационный механизм создания и применения нанопродуктов, нанотехнологий и микросистемной техники требует комплексного подхода к структуре научного поиска, разработке технологий и методов производства, в том числе и к созданию конструктивной элементной базы для их осуществления. Установлено, что перспективы использования наноструктур связаны с возможностью существенной модернизации свойств

известных веществ, материалов, специального технологического оборудования и изделий из структурных элементов нанометрового размера. Кроме того, рассмотрены проблемы создания и производства нанопродуктов и наноустройств, их свойства, модели сборки и роста нанообъектов, а также технологические, метрологические и эксплуатационные особенности их внедрения.

Статья выполнена членами Российского научно-технического вакуумного общества.

ЛИТЕРАТУРА

1. Васичев Б.Н., Некрасов М.И. Российские нанотехнологии и их влияние на экономику // Науч. тр. Российского государственного торгово-экономического университета. Т. 2. М. 2010. С. 253 - 272.

2. Nanotechweb.org: Carbon nanotube cwitch compatible with mass production // Нано- и микросистемная техника. 2007. № 3. С. 76.

3. Шпилевский М.Э., Стельмах В.Ф. Фуллерены и фуллере-ноподобные структуры - основа перспективных материалов. М.: ЮНИТИ. 2004.

4. Рыбалко В.В. Наноразмерные углеродосодержащие материалы. М.: МИЭМ. 2003.

5. Харрис П. Мир материалов и технологий. Углеродные нанотрубы и родственные структуры: Пер. с англ. М.: Техносфера. 2003.

6. Васичев. Б.Н., Фатьянова Г.И. Конструирование электронно-оптических систем микросистемной электроннолучевой техники // Поверхность. РАН. 2006. № 3.

7. Васин В.А., Ивашов Е.Н., Степанчиков С.В. Нанотехно-логические процессы и оборудование электронной техники. М.: МИЭМ. 2009.

8. Васичев Б.Н. Электронно-зондовый микроанализ.М.: Металлургия. 1977.

9. Васичев Б.Н. Электронно-лучевая обработка. Назначение и область применения. Основные явления в зоне действия электронного пучка. Методы. Выбор и расчет параметров основных элементов оборудования // Технология, оборудование и системы управления в электронном машиностроении. T.III - 8. / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. М.: Машиностроение. 2000. С. 57 - 79.

10. Васичев Б.Н., Фатьянова Г.И. Формирование потоков ионов при реактивном ионно-плазменном травлении в технологии микроэлектромеханических систем // Тр. инженерно-экономического факультета РЭА им. Г.В. Плеханова. М.: Изд-во Россельхозакадемии. 2006. Вып 5. С. 603 - 613.

11. Гаворин А.А., Лебедев С.А. Проблемы развития инновационной инфраструктуры экономики России. М.: РЭА им. Г.В. Плеханова. 2010.

12. Антипов В.А., Колмаков И.Б., Пащенко Ф.Ф. Состояние инновационной и научной системы России и предложения по ее развитию // Вестник РЭА им. Г.В. Плеханова. 2010. №2 (32). С. 24 - 33.

Поступила 09.07.2012 г.

УДК 519.81:004.023 УДК 65.012.123

Автоматизированная система обработки экспертных оценок при принятии технологических решений

Виктория Викторовна Курицына, к.т.н., доцент, каф. «Технология производства двигателей летательных аппаратов», e-mail: [email protected]

ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» (МАТИ), Москва

Дмитрий Евгеньевич Косов, аспирант, каф. «Технология производства двигателей летательных аппаратов», e-mail: [email protected]

ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» (МАТИ), Москва

Денис Николаевич Курицын, инженер-конструктор, e-mail: [email protected] Научно-исследовательский институт природных и синтетических алмазов и инструмента (ОАО «ВНИИАЛМАЗ»), Москва

Предложена методика принятия технологических решений на основе процедур коллективного экспертного оценивания, в которой учитывается специфика многовариантных и многокритериальных задач производственного управления; представлен программно-информационный комплекс организации, проведения и обработки результатов экспертизы; показано, что данные инструментальные средства позволяют повысить оперативность и эффективность технологического менеджмента промышленных предприятий.

The authors offer methods for taking technological decisions based on the collective expert estimation procedures where specific character of multiversion and multicriterion production control problems are taken into account. The article gives programme and information complex of organizing, carrying out and handling the expert estimation results and shows that these tools allow increasing oper-ability and efficiency of production enterprise technological management.

Ключевые слова: программно-информационный комплекс, экспертная оценка, технологический менеджмент. Keywords: programme and information complex, expert estimation, technological management.

Актуальность технологической экспертизы

На стадиях жизненного цикла сложной наукоемкой продукции (какой является авиакосмическая техника), включающих в себя разработку, производство и эксплуатацию, часто необходимо принимать решения в условиях недостаточной информации, при неизвестных алгоритмах решения проблемы, а также в условиях риска.

Многообразие целей и задач, сложность проблем, стоящих перед технологическим менеджментом производственной организации, а также недостаточная ответственность лиц, принимающих решения, требуют от руководящего состава организации в целом и подразделений в частности постоянного принятия различных управленческих решений в таких областях, как конструкторско-технологическая доводка изделий, внедрение новых технологических процессов в производство, приобретение сторонних технологий, коммерческая реализация собственных технологий, модернизация технологического оснащения, поиск причин брака продукции или нестабильности техно-

логических систем, выбор направления технологических инвестиций, выбор направлений технологического развития предприятия и др.

Технологические решения служат основой для разработки конструкторско-технологических мероприятий и соответствующей документации, направляемых для исполнения и внедрения в производство [1, 2]. Принятие технологических решений в таком наукоемком машиностроении, как авиа- и ракетостроение, имеет ряд особенностей:

• преобладание в предметной области описательных форм представления знаний над аналитическими зависимостями, большая роль эмпирики;

• сложная логика суждений, сложные взаимосвязи, большая размерность задач (количество учитываемых факторов и альтернатив);

• наличие скрытых объективных законов;

• мощные информационные потоки, раскрывающие сущность технологии (характеристики оборудования, инструмента, материалов, режимов и т.п.);

• итеративный характер процесса принятия решения (последовательное приближение к наиболее приемлемому в данных условиях варианту).

Сложные технические и технологические системы обладают огромным количеством как тактико-технических параметров, так и параметров, отражающих совершенство технологий изготовления, экономические аспекты производства и эксплуатации. При этом оценка многих параметров носит субъективный характер (например, в части эргономики). Рассматривая варианты технических решений, часто можно наблюдать противоречивость оценок параметров, проводимых с использованием различных критериев (например: один вариант - «прочный, но тяжелый», другой вариант - «легкий, но менее прочный», какой вариант лучше?). Наиболее распространен подобный конфликт между тактико-техническими и экономическими параметрами, так называемое соотношение «цена-качество», например, при производстве наукоемкой продукции.

Тем не менее, в таких условиях необходимо принимать научно-обоснованные решения, от которых зависят не только тактические моменты, но и стратегия развития предприятий, отрасли. Вопросы безопасности и экологии, связанные с наукоемкими техническими и технологическими системами, приобретают особую актуальность.

Чем сложнее и масштабнее технологическое мероприятие, чем больше вкладывается в него материальных средств, чем шире спектр его возможных последствий, тем менее допустимы так называемые «волюнтаристские» решения, не опирающиеся на научный расчет. Большое значение имеет адекватная оценка перспективности каждого решения на основе совокупности научных методов, в результате которой отбрасываются недопустимые варианты и рекомендуются те, которые представляются наиболее удачными

Использование экспертных методов следует рассматривать как один из возможных подходов к всестороннему изучению сложных проблем, в которых окончательное решение не явно. Экспертный метод оценки эффективности технологических решений в производстве сложной техники рационально используется в тех случаях, когда затруднительно применить методы объективного определения значений единичных или комплексных показателей качества такими методами, как инструментальный, эмпирический или расчетный. Экспертные методы оценки могут использоваться

как при формировании стратегических направлений технологического развития предприятия или подразделения, так и при решении многих частных вопросов, связанных с определением показателей эффективности, рациональности, коммерческой привлекательности интеллектуального технологического продукта.

Экспертная оценка - совокупность научно-обоснованных методов интуитивно-логического анализа, позволяющих по заданным исходным данным формировать общую совокупность технически возможных вариантов решений, производить их сравнительный анализ и отбор, включая выделение оптимального по выбранным критериям варианта.

Экспертные методы используют эвристические возможности личности (эксперта или группы экспертов), позволяя на основе знания и опыта, интуиции специалистов, работающих в определенной области, получить оценку исследуемых технических и технологических объектов и систем. Сущность методов экспертных оценок заключается в проведении экспертами интуитивно-логического анализа проблемы с количественным суждением и формальной обработкой результатов. Итог экспертного метода оценки - получение некоторой интегральной оценки в условных единицах (баллах), которая была бы пропорциональна исследуемому свойству (критерию). Полученное в результате обработки обобщенное мнение экспертов есть заключение о решении.

Экспертный метод оценки уровня качества продукции не должен использоваться, если качество можно оценить другим аналитическими или экспериментальными методами с большей точностью или меньшими затратами.

Научно-техническая экспертиза стала не только предметом научных исследований в области методологии, но и областью практической деятельности, а теория принятия решений - одним из наиболее эффективных интеллектуальных инструментов технологического менеджмента научно-производственного предприятия.

В условиях ограниченного ресурса времени и средств на принятие технологических решений очень эффективно применение автоматизированных систем сопровождения принятия технических решений, основанных на алгоритмах многомерной и многокритериальной оптимизации, математической статистики, обработки экспертных мнений специалистов.

Структура автоматизированной системы технологической экспертизы

Для реализации метода экспертного оценивания технологических решений было разработано программное обеспечение, позволяющее оперативно производить сбор и обработку экспертных мнений в области инновационных технологий сложного формообразования деталей и конструкций. Компонентами такой автоматизированной системы являются следующие подсистемы, отражающие этапы проведения научно-технической экспертизы (рис. 1):

• подсистема постановки задачи;

• подсистема организации экспертизы;

• подсистема экспертного оценивания;

• подсистема генерации отчета.

В рамках этих подсистем реализованы следующие модули (блоки):

1) блок постановки целей, точки зрения, задач, условий и требований экспертизы (техническое задание на экспертизу);

2) блок организации экспертной группы с определением коэффициентов квалификации и значимости мнений экспертов;

3) блок формирования технических и технологических альтернатив, как массив принципиально возможных технологических решений, количество которых превосходит желаемое, а следовательно, возникает необходимость выбора решения;

4) блок формирования массива критериев оценки, как подмножества технико-экономических и других параметров качества технологических процессов, инструментов и оснащения;

5) блок формирования коэффициентов весомости (приоритетов) критериев оценки технологических решений;

6) блок сбора мнений экспертов в локальных оценках по бальной шкале (метод Дельфи);

7) блок определения интегральных показателей привлекательности альтернативных технологических решений с учетом аддитивности или мультиплексирования локальных оценок по критериям с учетом их весомости;

8) блок анализа согласованности (ранговой корреляции) мнений экспертов в принятии решений по коэффициенту конкордации;

9) блок определения качества экспертизы по параметрам точности, достоверности, согласованности и сравнения расчетных показателей с требуемыми;

10) блок генерации экспертного заключения с определением показателей качества научно-

технической экспертизы по параметрам точности, достоверности и согласованности.

Алгоритм функционирования программного комплекса (рис. 2) отражает взаимосвязи отдельных модулей системы и процесс итерационного приближения к качественным (т.е. с достаточными показателями точности, достоверности и согласованности) результатам научно-технической экспертизы.

Рассмотрим подробнее работу этих модулей.

Подсистемы постановки задач и организации технологической экспертизы. Подготовка или модернизация производства неразрывно связана с необходимостью принятия организационно-технологических решений на каждом этапе работ. Кроме того, функционирующие производственные системы также требуют решений текущих задач по управлению и оптимизации технологических систем в целях обеспечения качества выпускаемой продукции. Технологическая экспертиза как один из методов обоснования принятия решений требует начальных условий, когда существует потребность выбора оптимального решения в пространстве альтернатив.

Принятие решений в общем случае сопровождается генерированием альтернативных вариантов реакции на сложившуюся ситуацию и выбором из них оптимального варианта решения. Постановка задачи принятия решения приводит к необходимости рассмотрения ситуации принятия решения, описание которой часто не формализуется, характеризуется нехваткой информации, недостаточной определенностью алгоритмов. Это требует применения правил логического анализа и связано с рассмотрением значительного числа альтернатив и организацией процедуры выбора оптимального варианта.

Выбор - это операция, обязательно входящая в целенаправленные процессы принятия разнообразных решений в технике, технологии и научных исследованиях. Выбор является действием, придающим всей деятельности целенаправленность. Именно выбор реализует подчиненность всей деятельности определенной цели или совокупности целей. (Как гласит правило Фалькланда, или закон Мерфи: «Когда нет необходимости принимать решение, необходимо не принимать его!».) Главное условие необходимости принятия решения - это наличие альтернатив в количестве, превышающем желаемое для дальнейшего функционирования системы. Это может быть единственное предпочтительное решение из нескольких, или же несколь-

Рис. 1. Структура автоматизированной системы технологической экспертизы

Рис. 2. Алгоритм экспертной оценки при коллективной экспертизе

ко предпочтительных решений из большего количества альтернатив, или даже такой случай, когда надо принять все альтернативы, кроме единственного - самого неблагоприятного. Таким образом, с математической точки зрения понятие «выбор» подразумевает ситуацию, когда для осуществления выбора необходимо пространство меньшее, чем то, которое есть на данный момент. Действительно, если предложение меньше, чем спрос, то будут приняты все варианты.

Принятие решения - действие над множеством альтернатив, в результате которого получается подмножество выбранных альтернатив. Сужение множества альтернатив возможно, если имеется способ сравнения альтернатив между собой и определения наиболее предпочтительных.

При таком описании выбора предполагается, что для формулирования технического задания на проведение экспертизы необходимо определить следующие чрезвычайно важные аспекты:

• множество альтернатив, на котором предстоит осуществлять выбор;

• цели, ради достижения которых производится выбор;

• точки зрения на объект оценки;

• требования по качеству экспертизы. Апробация автоматизированной системы обработки экспертных оценок при принятии технологических решений осуществлялась на примере технологической экспертизы производственной целесообразности метода сварки типовых элементов авиакосмических конструкций, проводимой на базе МАТИ и ОАО «ВНИИАЛМАЗ». Схема формирования задания на проведение экспертизы представлена на рис. 3.

При формировании экспертной группы для принятия инновационных решений в целях всестороннего анализа наукоемких объектов и процессов привлекались представители сфер академической науки, производства и образования. Были установлены коэффициенты квалификации и значимости мнений, учитываемые при обобщении (табл. 1).

С целью повышения достоверности, точности, надежности и воспроизводимости экспертных оценок экспертиза осуществляются группой компетентных людей путем принятия общего решения. Число экспертов, входящих в группу, зависит от требуемой точности средних оценок и, как правило, составляет от пяти до двадцати человек.

Для обобщения оценок необходимо собрать ответы всех экспертов и провести средневзвешен-

ную оценку с учетом следующих коэффициентов значимости мнений экспертов:

р7 - коэффициент квалификации 7-го эксперта, отражающий квалификационную степень (ступень) эксперта в той области, в которой производится экспертиза;

к7 - «весовой» коэффициент значимости мнения 7-го эксперта, который, как правило, отражает соответствие направления профессиональной деятельности эксперта тому направлению, в области которого производится экспертиза.

Типовая формула для обобщения мнений экспертов по одному из вопросов имеет вид

п 2

А = -,

п

2 к7Р7

7=1

где А - обобщенная оценка, данная группой экспертов по одному вопросу (объекту, факту, признаку, критерию...); п - число экспертов в группе; а7 - оценка, данная объекту (факту, признаку, критерию.) 7-м экспертом; р7 - коэффициент квалификации -го эксперта, в долях единицы; к - «весовой» коэффициент значимости мнения -го эксперта, в долях единицы.

Выбор оптимального решения подразумевает наличие нескольких принципиально возможных вариантов решения задачи, отличающихся друг от друга по тем или иным показателем. Генерация таких вариантов решений является важным этапом аналитической деятельности, так как разумное увеличение числа и разнообразия вариантов повышает вероятность нахождения среди них более эффективного для конкретной ситуации.

Апробация автоматизированной системы технологической экспертизы проводилась на примере оценки производственной привлекательности метода сварки трением с перемешиванием в качестве технологии соединения компонентов конструкции специзделий авиакосмической техники. Сравнительному анализу подвергались такие альтернативные методы сварки, как электродуговая, электронно-лучевая, лазерная и газовая, характеризующиеся различными технологическими, эксплуатационными и экономическими параметрами. Данные методы обладают как достоинствами, так и недостатками. Поэтому не всегда очевидно, какой из методов оптимален для применения в конкретном технологическом процессе соединения различных конструкций из различных материалов.

Технологические методы процессов сварки для типовых конструкций АКТ /

ЦЕЛЬ ОЦЕНКИ:

Целесообразность применения при изготовлении типовых конструкций АКТ

ТОЧКА ЗРЕНИЯ НА ОБЪЕКТ ОЦЕНКИ:

Реализация проектов нового метода. Предложение на рынке технологий и оборудования авиа- и ракетостроения

ТРЕБОВАНИЯ К ПАРАМЕТРАМ КАЧЕСТВА ЭКСПЕРТИЗЫ: Достаточная - точность,

- достоверность,

- согласованность

Рис. 3. Формирование задания технологической экспертизы

Таблица 1. Состав экспертной группы и коэффициенты значимости мнений экспертов

№ ЭКСПЕРТ Профессиональная деятельность, квалификация «Весовой» коэффициент значимости мнения кг, в баллах Коэффициент квалификации Pг, в баллах

1 ЭКСПЕРТ 1 Зам. ген. директора ОАО «ВНИИ АЛМАЗ», д.т.н., проф., каф. «Технология производства ДЛА», МАТИ 100 100

2 ЭКСПЕРТ 2 Зав. каф. «Технология производства ДЛА», д.т.н., проф., МАТИ 100 100

3 ЭКСПЕРТ 3 Гл. конструктор ОАО «ВНИИ АЛМАЗ», инженер, аспирант, каф. «Технология производства ДЛА», МАТИ 80 70

4 ЭКСПЕРТ 4 Ведущий конструктор ОАО «ВНИИ АЛМАЗ», инженер 70 60

5 ЭКСПЕРТ 5 Ведущий конструктор ОАО «ВНИИ АЛМАЗ», инженер 50 60

6 ЭКСПЕРТ 6 Инженер-конструктор ОАО «ВНИИ АЛМАЗ», магистрант, каф. «Технология производства ДЛА», МАТИ 60 50

Сравнение сварки перемешиванием с другими процессами осуществляется для оценки целесообразности использования данного процесса вместо традиционных технологий. Успешное применение метода зависит от четкого понимания характеристик процесса, поэтому для каждого случая необходимо разрабатывать свои критерии технической и экономической целесообразности внедрения процесса.

При анализе технологических возможностей методов рассматривался физический принцип формирования соединения, область применения, а также эксплуатационные характеристики сварного шва. Кроме того, внимание уделялось выявлению специфических достоинств и недостатков метода.

В процессе организации и проведения экспертиз нередко возникают ситуации, когда должна производиться многокритериальная оценка объектов экспертизы. При этом в практике организации и проведения экспертиз часто используется сле-

дующая экспертная процедура, известная как метод «свертки»: сначала производится оценка объектов экспертизы по каждому из частных критериев (факторов, показателей и т.д.), а затем полученные экспертные оценки, поданные, как правило, в количественной форме, складываются с теми или иными весовыми коэффициентами, характеризующими сравнительную важность частных критериев.

Критерий оценки при выборе решения - это параметр объекта, отражающий тот из наиболее существенных признаков желаемого решения или ту совокупность признаков, по которым отдельное решение можно выделить среди множества альтернативных. Массив критериев оценки - это подмножество полного массива параметров технической (технологической) системы, выбранное в соответствии с целью производимой оценки (некоторые из параметров, принятые к рассмотрению в процедуре оценки объекта и выбора приоритетов).

При формировании массива критериев в подсистеме организации экспертизы учитываются следующие группы критериев:

• функциональные показатели качества объекта, т.е. сварного соединения, отражающие степень совершенства работоспособности соединения (прочность, герметичность, остаточные деформации, структура и т.п.);

• технологические показатели процесса сварки, отражающие степень совершенства технологии выполнения сварного шва (скорость выполнения, возможность автоматизации, энергоемкость, необходимая квалификация исполнителя, универсальность и т.п.);

• экономические и эргономические показатели (трудоемкость, ресурсоемкость, стоимость, удобство выполнения, безопасность и т. п.). Как правило, главное условие для разрабатываемых технологий - обеспечение максимальной экономической эффективности, т.е. производство изделий с минимальными затратами труда и денежных средств.

В зависимости от природы оценок, проставляемых экспертами, критерии могут быть объективными и субъективными. Объективные критерии - критерии, оценка по которым определяется характеристиками самого объекта и не зависит от субъекта оценки (эксперта). Объективны все численные размерные критерии и некоторые численные безразмерные (КПД, надежность...). К субъективным относятся критерии, оценка по которым определяется мнением субъекта оценки (эксперта) или группы экспертов. Субъективны все лингвистические оценки и некоторые численные безразмерные.

Комплект критериев может быть составлен группой экспертов методом мозгового штурма. Большее число критериев повышает объективность и разрешающую способность оценки.

Существует много методов решения задач по расстановке приоритетов среди списка объектов (вариантов решений), основанных на математических процедурах разной сложности (статистика, векторная алгебра, анализ) и неодинаковой степени точности. Возможны сочетания различных процедур на различных этапах оценки. При выборе математической реализации процедуры оценки следует руководствоваться такими характеристиками, как число рассматриваемых вариантов, степень рассеяния, требуемая вероятностная точность выбора, быстродействие принятия решения, разрешающая способность шкалы оценки и др.

Результатом обработки экспертного мнения по оценке важности критериев в автоматизированной системе является диаграмма с определением атрибутов согласованности мнений (рис. 4).

Данная подсистема позволяет повысить объективность мнения и устранить возможные технические (непреднамеренные) ошибки простановки оценок методом парного сравнения, предоставляя соответствующий интерфейс. Для отражения приоритетности сравниваемых попарно объектов возможно применение следующих шкал:

• бинарной шкалы («влияет» / «не влияет», или 1/0), которая имеет не слишком высокую разрешающую способность, но проста в понимании и исполнении;

• троичной шкалы оценивания («-1» / «0» / «+1»), ложащейся на уникальные алгоритмы троичных процессорных систем (используется в определенных случаях);

• трехбальной шкалы с нулем (где «0» - меньший приоритет выбранного объекта относительно сравниваемого, «1» - равенство сравниваемых объектов, «2» - превосходство выбранного объекта над сравниваемым) [2] в качестве тестовых индикаторов весомости (например, для отладки функционирования модели, изображенной на рис. 5);

• международной фундаментальной шкалы предпочтений (9-балльная шкала от 1 до 9), предложенной Т. Л. Саати [3];

Также возможно применение методов стандартизации рангов.

Кроме того, используются и более сложные методы установления приоритетов:

• метод, основанный на распределении порядковых мест, полученных объектами после расстановки приоритетов или оценки объектов (фактов, показателей) - так называемое ранжирование;

• метод на основе определения лидера по результатам вычисления собственного вектора обратно симметричных матриц;

• метод анализа иерархий, при котором осуществляется анализ приоритетов в сетевых структурах связанных критериев, подкрите-риев, субкритериев (аналитические сети);

• метод направленного поиска, который используется при большом количестве и ветвлении возможных вариантов;

Рис. 4. Номенклатура критериев и оценка их значимости

Повышение объективности при выставлении оценок экспертом Абсолют Относите ная льная РАСЧЕТ- ПРИВЕДЕ оценка, оценка, НЫЙ РАСЧЕТ- ННЫЙ и ад Щ [СУММА НЫЙ 100 бальн [поЮО [в доля« по [в долях РАСЧЕ7Н бал.] ед] строкам] ед] О интуит.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 Прочность соединения 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 31 0,12 100 100 0,09

2 Герметичность г 0 1 2 2 0 2 2 2 1 1 2 1 1 0 0 1 18 0,07 58 60 0,06

3 Удобство осуществления 3 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 4 0,02 13 20 0,02

4 Скорость осуществления 4 0 0 1 1 0 2 1 0 2 0 0 0 0 0 0 0 7 0,03 23 60 0,06

5 Стоимость процесса 5 0 2 2 2 1 2 2 2 2 1 1 2 2 0 2 0 23 0,09 74 90 0,08

6 Безопасность процесса 6 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0,01 6 10 0,01

7 Трудоемкость 7 0 0 2 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 0 1 0 11 0,04 35 70 0,07

8 Сложность выполнения 8 0 0 1 2 0 2 1 1 2 0 1 1 0 0 1 0 12 0,05 39 60 0,06

9 Электротехнические качества соединения 3 0 1 2 0 0 2 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 7 0,03 23 60 0,06

10 Стабильность процесса 10 0 1 2 2 1 2 2 2 2 1 2 2 2 1 2 2 26 0,10 84 100 0,09

11 Возможность а вто матпзацми 11 0 0 2 2 1 2 1 1 2 0 1 1 0 0 1 0 14 0,05 45 80 0,08

12 Влияние на структуру материала 12 0 1 2 2 0 2 2 1 1 0 1 1 1 0 2 0 16 0,06 52 50 0,05

13 Остаточные деформации в изделии 13 0 1 2 2 0 2 2 2 2 0 2 1 1 0 2 1 20 0,08 65 70 0,07

14 Возможность с варки разнородных материалов 14 0 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 1 2 2 28 0,11 90 100 0,09

15 Энергоемкость 15 0 2 2 2 0 2 1 1 2 0 1 0 0 0 1 0 14 0,05 45 40 0,04

16 Универсальность 16 0 1 2 2 2 2 2 2 2 0 2 2 1 0 2 1 23 0,09 74 90 0,08

Правел эисперт Курицын Д.Н. СУММА 256 1 Приняты 1060 1

Рис. 5. Парное сравнение в оценке значимости критериев

• метод общего полезного эффекта - используется при не слишком большом числе (10 - 15) возможных вариантов и многокритериальной оценке, полезный эффект выступает в роли целевой функции;

• метод на основе экстремального анализа целевых функций.

Возможны промежуточные и комбинированные решения [4, 5]. Методы отличаются быстродействием, трудоемкостью, разрешающей способ-

ностью и другими показателями алгоритмической эффективности. В реальной экспертной деятельности выбор применения того или иного метода зачастую ограничивается временем принятия решения в нечетких условиях и в условиях нехватки информации. Поэтому иногда приходится жертвовать точностью и достоверностью при достижении очень быстрого получения интегральной оценки и управляющего решения на ее основе. Как известно из теории вероятности, «абсолютно точное и абсолютно достоверное решение может быть получено через бесконечный промежуток времени».

Подсистема экспертного оценивания в задачах многокритериальной оценки. Условие задачи многокритериальной оценки формулируется следующим образом: имеется в наличии некоторое количество вариантов технологических решений (в данном случае методов сварки). Каждое решение имеет различные характеристики по тем или иным параметрам. Некоторые из параметров лучше достигаются в одних решениях, некоторые параметры лучше достигаются в других решениях. Следовательно, нельзя сразу сказать, какое решение предпочтительно. Для достижения поставленных целей требуется выбрать оптимальное (с поставленной точки зрения) решение.

Интегральную оценку можно использовать не только для выбора одного оптимального варианта решения, но и для выбора нескольких «лучших» объектов, а также для сравнительной рейтинговой оценки объектов анализа, для ранжирования вариантов и другого анализа.

В ходе интегральной оценки осуществляются следующие процедуры:

1. Установление пространства альтернатив (Вариант 1, Вариант 2, ... , Вариант т, ... , где т = =1, ..., М, М - число альтернатив).

2. Установление пространства критериев (Критерий 1, Критерий 2, ... , Критерий..., где 7 - номер критерия);

3. Установление абсолютных (д-, в баллах) и

относительных (д', в долях единицы) весовых коэффициентов значимости критериев: = ^ д- .

Весовой коэффициент отражает значимость (важность) критерия для установленной цели экспертизы (точки зрения). Для разных точек зрения на оцениваемый объект (для разных целей экспертизы) значимость критериев может меняться кардинальным образом.

4. Установление для каждого варианта решения экспертной оценки качества, или степени

удовлетворения (выполнения) требований, по каждому критерию (Fjm, в баллах).

5. Расчет показателя качества сравниваемых вариантов по каждому критерию (fjm). Этот показатель характеризует относительную степень удовлетворения Критерия j при решении по Варианту m с учетом значимости (важности) критерия:

f' = F а'

J jm 1 jm4j ■

6. Расчет комплексного (интегрального) показателя качества каждого варианта (Qm) как суммы локальных оценок с учетом весового вклада значимости критериев: Qm fjm .

j

7. Обобщение мнений, полученных от каждого эксперта, с учетом коэффициентов квалификации и значимости членов экспертной группы.

9. Формулирование выводов по интегральной экспертной оценке.

В зависимости от поставленной задачи в качестве вывода можно представить:

• заключение об одном приоритетном варианте

по условию: Q,->max ;

• заключение о группе «наилучших» объектов по рейтинговой оценке;

• заключение об упорядочивании (ранжировании) оцениваемых объектов;

• заключение о необходимости коррекции вариантов с низкими оценками;

• также можно сделать локальные выводы по отдельным критериям.

Подсистема формирования заключения экспертизы. Весьма важным и ответственным этапом экспертной оценки является обработка и анализ результатов опроса экспертов. Принципы современного менеджмента качества, в соответствии с международным стандартом ISO 9001:2000 (п. 7.5.2), позволяют создавать все контролируемые условия, необходимые для обеспечения качества экспертных оценок. Заключение технологической экспертизы формируется с расчетом и указанием качества по параметрам согласованности, точности и достоверности. Обобщению правомерно подвергать только согласованные оценки.

Для методов коллективной экспертной оценки этап обработки и анализа результатов опроса группы экспертов заключается в определении показателя обобщенного мнения и степени согласованности мнений экспертов по каждому вопросу, а также выявления экспертов, высказывающих оригинальные суждения, и групп экспертов, придерживающихся противоположных точек зрения.

Рис. 6. Интегральная оценка альтернативных методов сварки

Рис. 7. Диаграмма сравнения технологических вариантов по интегральной оценке

Степень согласованности мнений экспертов в теории ранговой корреляции выражается через коэффициент конкордации (W). Расчет коэффициента конкордации основан на процедуре ранжирования объектов анализа экспертами и оценке корре-лированности мнений экспертов в определении приоритетов:

W = S/Smax,

где S - сумма квадратов отклонений суммарных рангов, выставленных каждому объекту всеми экспертами (Sm, зависит от экспертов), от средней суммы рангов, приходящихся на каждый объект (Scp, одинакова для всех объектов и зависит от числа объектов и числа экспертов); Smax - максимально возможное значение суммы квадратов отклонений (зависит от числа объектов (М) и числа экспертов (и)):

M 2 1

S = 2(Sm - ^р ) Smax = ~^ ( -М)

m=1

Очевидно, что чем единодушнее мнение экспертов, тем больший будет разброс выставленных сумм каждому объекту рангов относительно их среднего значения. Максимальное значение сумма квадратов отклонений принимает в случае, когда все мнения экспертов совпадают, и при этом среди рангов, данных экспертами, нет одинаковых.

Таким образом, коэффициент согласованности имеет вид

w=——-

n 2(М3 - М)

Коэффициент конкордации, или коэффициент ранговой корреляции, может принимать значения от 0 до 1, причем 0 означает полную несогласованность мнений, а 1 - полное согласование мнений. Статистика показывает, что при W > 0,40 работу с группой экспертов можно продолжать, приняв к руководству их оценку.

Рассогласованность квалифицированных экспертов свидетельствует о высокой неоднозначности предмета анализа или о необходимости корректировки постановки задач.

При достаточной согласованности мнений экспертов на заключительных этапах расчета определяются характеристики точности и достоверности.

В качестве истинного значения оценки при коллективной оценке m экспертов может выступать средневзвешенная усредненная оценка, с учетом значимости и квалификации экспертов. Доверительный интервал для итоговой интегральной

оценки рассчитывается статистическими методами при заданном уровне значимости. В технике и технологии уровень значимости характеризует вероятность ошибки и принимается одно из следующих значений: 0,05; 0,01; 0,005; 0,001, в зависимость от степени ответственности экспертов и рисков от последствий их решения.

Результаты и перспективы развития систем принятия технологических решений. В результате опытной эксплуатации предлагаемого программно-информационного комплекса сопровождения технологической экспертизы были получены объективные оценки производственной целесообразности технологий получения неразъемных соединений в базовых конструкциях авиакосмической техники из легких сплавов. Итогом оценки коммерческой привлекательности применения метода в типовых операциях сварки конструкций с высокой степенью согласованности явилось заключение о превосходстве сварки трением по сравнению с электронно-лучевой и о существенном преимуществе этих методов перед другими альтернативами.

Гибкость, чувствительность и динамика реагирования автоматизированной системы технологической экспертизы под влиянием изменчивости технического задания, целей и точки зрения на объект оценки наиболее ярко проявили себя в случае более конкретной постановки задачи. Так, формулировка задания в виде оценки эффективности применения сварки трением для монтажа электрических коммуникаций из многожильных проводов цветных металлов (алюминиевых, медных) показала значительное возрастание интегрального показателя конструкторско-техноло-гической, экономической и эргономической привлекательности данного метода по сравнению с такими традиционными способами, как пайка, обжатие, клеммирование и сварка электродом.

Экспертный метод для оценки многих показателей качества технической и другой продукции открывает широкие перспективы применения при составлении новых планов, программ, при разработке стратегий развития. Современные информационные технологии обеспечивают возможности оперативного анализа технико-экономических проектов, моделирования процессов, подготовки и представления результатов для последующего принятия решений.

Особую значимость приобретают современные информационные технологии, использующие сети связи и распределенную обработку данных.

Сетевая экспертиза является основой для создания распределенных ситуационных центров, предназначенных для информационной, информационно-аналитической и экспертно-аналитической поддержки руководителя и менеджмента организаций при принятии управленческих решений в сложных и нечетких ситуациях. Ситуационные центры «сжимают время» принятия решений за счет использования методов организации групповых экспертных процедур.

Инфологическая модель данных при реализации информационных процессов обработки экспертных оценок в многовариантных и многокритериальных задачах представляет собой совокупность многомерных матричных структур. Программная реализация автоматизированной системы органично ложится на комбинацию методов реляционного (табличного) представление данных в Excel и информационного представления иерархических сетей в MatLAB.

В качестве достоинств программной реализации разработанной автоматизированной системы технологической экспертизы можно отметить следующее:

• автоматизацию статистических расчетов, возможность использования программы персоналом экономических подразделений и менеджмента;

• оперативное реагирование на смену производственных условий, объектов и субъектов анализа;

• возможность прогноза вариантов развития, а также последствий и рисков принятия тех или иных инновационных технологических решений и проектов;

• модульную структуру с обеспечением гибкости и возможности модификации в целях последующего расширения круга решаемых задач;

• поддержку возможностей визуализации и интерактивного диалога с пользователем.

Таким образом, использование этой системы обеспечивает возможность статистического обоснования бизнес-планов технологического оснащения, переоснащения и модернизации наукоемкого производства сложной продукции аэрокосмической отрасли.

ЛИТЕРАТУРА

1. ISO 9000:2005. «Quality management system -Fundamentals and vocabulary».

2. Патраков Н. Н., Курицына В. В. Основы технологического менеджмента качества прецизионных деталей авиакосмической техники. М.: Издательский центр МАТИ. 2003.

3. Саати Т.Л. Принятие решений при зависимостях и обратных связях: Аналитические сети: Пер. с англ. / Под ред. А.В. Андрейчиков, О.Н. Андрейчикова. Изд. 3-е. М.: Книжный дом ЛИБРОКОМ. 2011.

4. Круглов В.И., Ершов В. И., Чумадин А. С., Курицына В. В. Методология научных исследований в авиа- и ракетостроении: учеб. пособие. М.: Логос. 2011.

5. Егоров И.Н. Разработка методики сравнительной экспертной оценки технологических проектов. М: Изд-во МАИ. 2001.

Поступила 06.07.2012 г.

УДК 621.00.2

Формирование поверхностного слоя

на режущей кромке инструмента

скользящего резания неметаллических материалов

Андрей Петрович Голубев, к.т.н., доцент, каф. «Общетехнические и естественнонаучные дисциплины», e-mail: [email protected]

ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва Виктор Иванович Беляев, ст. преп., каф. «Технология машиностроения», e-mail: [email protected]

Анатолий Константинович Прокопенко, д.т.н., проф., зав. каф. «Технология машиностроения», e-mail: [email protected]

Владимир Николаевич Лохманов, к.т.н., доцент, каф. «Технология машиностроения», e-mail: [email protected]

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологий», Москва

Представлены конструкции устройств, позволяющих формировать режущую кромку лезвия инструмента и одновременно наносить защитное покрытие в процессе резания, соблюдая при этом условие поддержания минимального радиуса затупления при вершине лезвия; приведены результаты исследований по безабразивной обработке дисковых ножей в металлоплаки-рующей медьсодержащей среде; предложена комбинированная технология обработки режущей кромки инструмента скользящего резания.

The article offers constructions of devices that allow forming tool blade cutting edge and simultaneously applying a protective coating in the cutting process with satisfying the condition of a minimum blunting radius at the top of the blade maintenance. The article gives the research results concerning disk cutter nonabrasive processing in metal clad copper-bearing environment. The article offers a combined technology for sliding cutting tool cutting edge processing.

Ключевые слова: металлоплакирование, лезвие, резание, поверхностно-пластическая деформация. Keywords: metalloplakirovaniye, edge, cutting, superficial and plastic deformation.

Среди преимуществ резания лезвийным инструментом следует отметить высокую производительность и качество линии среза, которые достигаются благодаря значительным скоростям перемещения инструмента - до 20 м/с. В связи с этим к инструменту скользящего резания предъявляют определенные требования, связанные с его геометрией и качественными показателями поверхности лезвия (шероховатость, твердость и т. д.). Однако наиболее важным для инструмента является поддержание минимального радиуса затупления при вершине лезвия в пределах от 0,01 до 0,005 мм [1, 8].

Процесс резания носит динамический характер, и разделение полимерного материала происходит в результате создания напряжений сжатия режущей кромкой лезвия, изменяющихся в широком диапазоне. В результате указанных воздействий в материале лезвия вблизи вершины лезвия возникают контактные напряжения, часто превышающие предельные напряжения на сжатие и изгиб. Это приводит к увеличению радиуса затупления вследствие пластической деформации вершины лезвия [5].

Наличие пары трения металл-полимер с высокими скоростями взаимного перемещения и значительными контактными давлениями приводит к сложным физико-химическим превращениям в зоне контакта, что подтверждается опытными данными. Сочетание механического и температурного воздействия на полимерный материал приводит к изменению его состояния вплоть до деструкции. В результате этого в зоне резания создаются условия для наводороживания поверхностных слоев металла, что вызывает охрупчивание инструмента, его быстрый износ и даже перенос металла на полимер [4].

Для определения количественной характеристики наводороживаемости поверхности лезвия инструмента при обработке полимеров был проведен эксперимент, результаты которого подтвердили повышение содержания водорода в режущей кромке дисковых ножей. Если до начала процесса резания содержание водорода в металле (через 16 ч) составляло 0,0103%, или 4,47 см3 на 100 г металла, то после резания оно оказалось 0,126%, или 54,68 см3 на 100 г металла, что соответствует