1.3. Процесс организации производства

Процесс организации производства, предусматривающий проектирование, построение, обеспечение функционирования и совершенствование производственных систем, включает ряд взаимосвязанных видов работ. При этом следует исходить из того, что организация производства может быть направлена на созда­ние или совершенствование существующей производственной системы. В первом случае цель организации — создать произ­водственную систему нового предприятия или какого-либо ново­го подразделения на действующем предприятии, во втором — организация связана с улучшением действующей системы, т.е. с реорганизацией производства либо всего предприятия, либо од­ного или нескольких его подразделений.

В работе по организации производства необходимо определить организационную цель, т.е. определить результат, ожидаемый от проведения конкретной организационной работы. В качестве организационных целей могут быть названы такие результаты организационной деятельности, как повышение ритмичности и эффективности производства, улучшение качества продукции, сни­жение запасов товарно-материальных ценностей и т.д. В ряде случаев одновременно выдвигается несколько организационных целей, что требует их согласования.

Процесс определения организационной цели предполагает со­вместную работу руководителя предприятия и специалистов в области организации производства.

Установление видов деятельности и определение круга участ­ников работ. После того как цели организации определены, нужно установить виды деятельности, необходимые для их достижения, т.е. выявить перечень работ, которые должны быть выполнены. Следует учитывать чрезвычайную сложность и важность этого эта­па организационной работы. Для ее выполнения и создания общей схемы проведения работ необходимо привлекать работников с ши­роким научным кругозором и большим опытом в области органи­зации производства. Затем надо определить те подразделения предприятия, привлеченные организации и конкретных исполни­телей, которые будут участвовать в реализации организационных целей. При этом может возникнуть необходимость во внесении из­менений в действующую структуру аппарата предприятия или в создании новых, в том числе временных, подразделений.

Выполнение всех предусмотренных работ необходимо закре­пить за соответствующим подразделением, учреждением и кон­кретным исполнителем.

Исследование состояния организации и анализ результатов. Исследование — это оценка фактического состояния производствен­ной системы, относящаяся к сфере решения данной организацион­ной задачи. В процессе исследования должно быть получено пред­ставление обо всех характерных чертах системы, о протекающих в ней процессах и внешних связях, об эффективности ее функциони­рования, о необходимости осуществления организационных изме­нений и т.д. Исследование фактического состояния системы пред­полагает определение количественных показателей и качественных характеристик, а также оценку организационного уровня системы путем сопоставления полученных параметров и характеристик со средним или нормативным (эталонным) уровнем. В процессе ана­лиза результатов исследования необходимо выявить причины нега­тивных явлений или отклонений от среднего и нормативного уровня и сформулировать предложения по организации производства.

Разработка вариантов организационной концепции, и выбор оптимального варианта. Результаты анализа могут подтвердить возможность достижения поставленной цели или показать, что она несостоятельна и нуждается в корректировке. Сформулиро­ванная в окончательном виде цель может быть достигнута раз­личными путями. В связи с этим в процессе организации произ­водства должно быть выдвинуто и проработано несколько воз­можных вариантов организационной концепции. При этом необходимо не только охарактеризовать изменения в существую­щей производственной системе или дать характеристику вновь создаваемой системы, но и ответить на вопросы о предлагаемых затратах на ее осуществление и экономической эффективности внедрения. Изучив предлагаемые варианты концепции, руково­дитель предприятия принимает за основу один из ее вариантов.

Разработка проекта организации (реорганизации) производ­ства и его реализация. На этой стадии необходимо наполнить кон­кретным содержанием выбранную концепцию. Эта задача решает­ся на основе разработки проекта организации производства в объ­единении (на предприятии) или каком либо подразделении, входя­щем в его состав, проекта организации одной или нескольких фун­кциональных подсистем предприятия, проекта организации про­изводства. Может быть разработан также организационный проект целевого назначения для решения какой-либо конкретной задачи, например, улучшения качества продукции, повышения сменности работы оборудования, снижения затрат на производство и т.д.

Реализация разработанного организационного проекта предпо­лагает создание специального распорядительного плана, устанав­ливающего конкретные сроки выполнения тех или иных работы предусматривающего выделение необходимых ресурсов, меропри­ятия по подготовке и переподготовке кадров, последовательность перехода к новой системе организации и т.д. Реализация проекта организации и реорганизации производства предполагает непосредственное участие в этой работе руководителя предприятия. Методология разработки проектов совершенствования систем существенно отличается от методологии создания (проектирования) , новой системы, что подтверждается расхождением исходных по­сылок и используемых методов, которые приводятся в табл. 1.3.

 

Таблица 1.3.

Сравнение двух методологий: совершенствования систем и проектирования систем

Исходные посылки и используемые методы	Совершенствование систем	Проектирование систем
Парадигма	Анализ систем и подсис­тем (аналитический метод, или научная парадигма)	Проектирование системы в целом (системный подход, или системная парадигма)
Объекты исследова­ния Метод рассуждений Выход	Субстанция содержание Дедукция и редукция Улучшение существую­щей системы	Структура и процесс Метод Индукция и синтез Оптимизация системы в целом
Методика	Определение причин от­клонений реальной работы системы от запланирован­ной (прямые издержки)	Определение различий между реальным и опти­мальным проектом (пол­ные издержки)
Основной акцент	Объяснение прежних от­клонений	Прогнозирование будущих результатов
Подход	Интроспективный: от системы внутрь	Эстраспективный: от системы наружу
Роль планировщика	Ведомый: следует сущест­вующим тенденциям	Лидер: оказывает влияние на тенденции

Системное проектирование. Производственный аудит механосборочных производств.

Системный подход к проектированию и производственному аудиту базируется на построении оптимальных материальных, энергетических и информационных связей в технологической системе, системе инструментального и метрологического обеспечения, складской системе, системе охраны труда, транспортной системе, системе технического обслуживания, а также в системе управления и подготовки производства. Методика рассматривает вопросы анализа и синтеза производственной системы на основе принципов декомпозиции сложных систем. Блок-схема проектирования представлена ниже.

Рис. Последовательность проектирования

1 - программа выпуска изделий; 2 - габариты, масса и материал изделий; 3 - параметры качества изделий; 4 - режим работы производства; 5 - оценка технологичности изделий; 6 - разработка технологических процессов изготовления изделий; 7 - определение типажа основного оборудования; 8 - расчет машиноемкости и трудоемкости операций; 9 - определение количества основного оборудования и основных рабочих;  10 - разработка требований к условиям работы производственного участка; 11 - составление заданий на проектирование основного оборудования; 12 - проектирование системы инструментообеспечения; 13 -проектирование системы контроля качества изделий; 14 - проектирование складской системы; 15 - проектирование системы охраны труда производственного персонала; 16 - разработка производственных маршрутов изготовления изделий;  17 - выбор принципов формирования структурных подразделений; 18 - выбор состава производственных подразделений; 19 - определение состава и количества оборудования в производственных подразделениях; 20 - расчет площадей производственных подразделений; 21 - расчет площади цеха и его габаритных размеров; 22 - компоновка цеха; 23 - построение схемы размещения оборудования и рабочих мест в производственных подразделениях; 24 - проектирование транспортной системы; 25 - проектирование системы технического обслуживания; 26 - проектирование системы управления и подготовки производства; 27 - планировка оборудования и рабочих мест в производственных подразделениях и в цехе; 28 - определение состава и количества производственного персонала в структурных подразделениях и в цехе; 29 - окончательное формирование схемы материальных, энергетических и информационных потоков; 30 - разработка моделей работы производственной системы и расчет технико-экономических показателей проекта; 31 - выбор наилучшего варианта проекта; 32 - разработка заданий по строительной, сантехнической и энергетической части

Прибор как система.

Прибор—

• Искусственный объект, имеющий сложное внутреннее устройство (структуру), созданный для выполнения определённых функций, обычно в области техники.

• Комплект, набор предметов, инструментов для какой-либо работы или для выполнения каких-нибудь действий.

• Набор материалов, частей, принадлежностей для изготовления или устройства чего-либо.

Взаимообусловленность структуры, энергии и информации в приборе.

Структурный, энергетический и информационный подходы в проектировании

Методы описания технологических систем.

1. Метод системного проектирования.

2. Метод избирательного творчества

3. Структурный синтез- метод морфологического синтеза

Методы технического творчества - это совокупность последовательности операций прогнозирования оптимальных параметров, в наибольшей степени отвечающих общественным или техническим потребностям.

Описание технических систем

Создание любой технической системы происходит посредством описания ее составных частей: потребности, технической функции, физической структуры, физического принципа действия, технического решения и проекта. Все составные части этой иерархии располагаются на отдельных ступенях, начиная с самой важной и заканчивая наименее важной частью (рис.1).

• Наиболее важной ступенью является потребность. Она располагается на самом верхнем уровне. На самом нижнем уровне иерархии находится часть "проект". Каждый уровень имеет свое словесное описание, которое начинается с краткого описания потребности, а каждый следующий уровень описывается с иерархической соподчиненностью и включает в себя более подробное описание уровней, расположенных выше.

Разработка новых технических систем

рис.1 - Иерархия описания уровней

Во время разработки новой технической системы пользуются аналогом уже существующей системы, модернизируя имеющиеся в ней уровни.

• Задачи первого уровня: формулируется новая потребность, устанавливаются условия и ограничения реализации. Ставится проблема, которая в большинстве случаев непонятна для большинства специалистов.

• Задачи второго уровня: нахождение перспективной технической функции.

• Задачи третьего уровня: нахождение узлов уже существующей технической функции и составление новой технической системы.

• Задачи четвертого уровня: нахождение вариантов ТС с применением различных физических законов, закономерностей и явлений. Все варианты, накопленные в процессе решения задач четвертого уровня, анализируются для принятия наиболее подходящего решения.

• Задачи пятого уровня: разработка разнообразных новых вариантов и выбор лучших из них.

• Задачи шестого уровня. нахождение наиболее лучшего варианта для проекта, используя методы оптимизации

Задачи шестого уровня решаются в соответствии с требованиями стандартизации, унификации.

Метод морфологического синтеза

Этот метод предложен швейцарским астрономом и инженером Ф. Цвикки. В работах автора и во многих других источниках, где акценты с проблемы синтеза новых решений смещены на составление обобщенной структуры, метод описан под названием метода морфологического анализа.

Метод морфологического синтеза применяется на ранних стадиях проектирования и конструирования; он позволяет найти и систематизировать все возможные способы построения объекта, имеющие данное функциональное назначение (9, 13). Средством, описывающим обобщенную структуру класса, служит так называемая морфологическая таблица (морфологический ящик) (рис. 3). Это простой объект с хорошо отработанными правилами заполнения и поиска решений. Техника работы с морфологическими таблицами подробно рассматривается в [6,7,11,15,17], поэтому не будем останавливаться на ней. Приведем лишь пример, иллюстрирующий основные идеи этого метода. На следующем рисунке показан небольшой фрагмент морфологической таблицы, описывающей возможные технические реализации точечной сварки.

рис. 3. Пример морфологической таблицы

Любую морфологическую таблицу можно задать в виде матрицы инцидентности. Матрица инцидентности представляет собой прямоугольную (0,1)-матрицу A=||aij|| размера L*E, где L—число морфологических классов; Е — число элементов системы (реализация). Элемент матрицы aij, стоящий на пересечении i-jй строки и j-го столбца равен единице, если реализация j входит в морфологический класс с номером I, нулю — в противном случае.

Для того чтобы по матрице инцидентности А синтезировать вариант системы, необходимо выбрать совокупность из L (по числу морфологических классов) элементов матрицы, для которой выполняются условия:

• все элементы матрицы инцидентности, принадлежащие совокупности, равны единице;

• никакие два элемента не лежат на одной линии матрицы (линией матрицы называется ее строка либо столбец);

• выбранные элементы покрывают все строки матрицы инцидентности. (Элемент матрицы покрывает линию, если он лежит на ней).

Число элементов в совокупности равняется числу строк матрицы инцидентности. Если все элементы совокупности упорядочить по возрастанию номеров строк, которые покрываются этими элементами, и вместо каждого элемента записать номер столбца, который ими покрывается, то получится L-вектор.

Этот вектор представляет собой трансверсаль семейства (a(1), a(2), ..., a(L)), где все a(i) представляют собой морфологические классы.

На ранних этапах проектирование для описания обобщенных структур часто используется математический аппарат многодольных графов (N-дольных). Это граф вида G=(X1,X2,…Xn, R), где X=UXi — множество вершин, а R множество ребер. Подмножество Xi принято называть долями графа, ребра графа могут соединять только вершины разных долей. Вершины, принадлежащие одной доле всегда являются независимым подмножеством.

При описании обобщенных структур систем и процессов элементы N-дольных графов получают следующее толкование:

• доли представляют основные технические подфункции класса;

• вершины каждой доли соответствуют техническим реализациям.

Такая интерпретация делает этот аппарат очень близким морфологическим таблицам по способу решения задачи структурного синтеза и по возможностям описания структурных связей между объектами. Далее этот аппарат будет рассмотрен более подробно.

рис. 4. Представление обобщенной структуры в виде N-дольного графа

 

Особенности информационные систем.

Термин информационная система (ИС) используется как в широком, так и в узком смысле.

В широком смысле информационная система есть совокупность технического, программного и организационного обеспечения, а также персонала, предназначенная для того, чтобы своевременно обеспечивать надлежащих людей надлежащей информацией.

информационная система — совокупность содержащейся в базах данных информации и обеспечивающих ее обработку информационных технологий и технических средств.

ИС в узком смысле рассматривают как программно-аппаратную систему, предназначенную для автоматизации целенаправленной деятельности конечных пользователей, обеспечивающую, в соответствии с заложенной в нее логикой обработки, возможность получения, модификации и хранения информации.

В любом случае основной задачей ИС является удовлетворение конкретных информационных потребностей в рамках конкретной предметной области. Современные ИС де-факто немыслимы без использования баз данных и СУБД, поэтому термин «информационная система» на практике сливается по смыслу с термином «система баз данных».

В идеале в рамках предприятия должна функционировать единая корпоративная информационная система, удовлетворяющая все существующие информационные потребности всех сотрудников, служб и подразделений. Однако на практике создание такой всеобъемлющей ИС слишком затруднено или даже невозможно, вследствие чего на предприятии обычно функционируют несколько различных ИС, решающих отдельные группы задач: управление производством, финансово-хозяйственная деятельность и т.д. Часть задач бывает «покрыта» одновременно несколькими ИС, часть задач — вовсе не автоматизирована. Такая ситуация получила название «лоскутной автоматизации» и является довольно типичной для многих предприятий.

Особенностью информационных систем является их широкая классификация.

По степени распределённости отличают:

• настольные или локальные ИС, в которых все компоненты находятся на одном компьютере;

• распределённые ИС, в которых компоненты распределены по нескольким компьютерам.

По степени автоматизации ИС делятся на:

• автоматизированные: информационные системы, в которых автоматизация может быть неполной (то есть требуется постоянное вмешательство персонала);

• автоматические: автоматизированные ИС, в которых автоматизация является полной, то есть вмешательство персонала не требуется или требуется только эпизодически.

«Ручные ИС» («без компьютера») существовать не могут, поскольку существующие определения предписывают обязательное наличие в составе ИС аппаратно-программных средств. Вследствие этого понятия «автоматизированная информационная система», «компьютерная информационная система» и просто «информационная система» являются синонимами.

По характеру обработки данных ИС делятся на:

• информационно-справочные, или информационно-поисковые ИС, в которых нет сложных алгоритмов обработки данных, а целью системы является поиск и выдача информации в удобном виде;

• ИС обработки данных, или решающие ИС, в которых данные подвергаются обработке по сложным алгоритмам. К таким системам в первую очередь относят автоматизированные системы управления и системы поддержки принятия решений.

Классификация по сфере применения

Поскольку ИС создаются для удовлетворения информационных потребностей в рамках конкретной предметной области, то каждой предметной области (сфере применения) соответствует свой тип ИС. Перечислять все эти типы не имеет смысла, так как количество предметных областей велико, но можно указать в качестве примера следующие типы ИС:

• Экономическая информационная система — информационная система, предназначенная для выполнения функций управления на предприятии.

• Медицинская информационная система — информационная система, предназначенная для использования в лечебном или лечебно-профилактическом учреждении.

• Географическая информационная система — информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно-координированных данных (пространственных данных).

Классификация по охвату задач (масштабности)

• Персональная ИС предназначена для решения некоторого круга задач одного человека.

• Групповая ИС ориентирована на коллективное использование информации членами рабочей группы или подразделения.

• Корпоративная ИС в идеале охватывает все информационные процессы целого предприятия, достигая их полной согласованности, безызбыточности и прозрачности. Такие системы иногда называют системами комплексной автоматизации предприятия.

Базы данных и знаний как отражение системных сведений о явлениях, объектах, процессах.

База данных– поименованная, целостная, взаимосвязанная, единая система данных, организованная по определенным правилам, которые предусматривают общие принципы описания, хранения и обработки данных; это – упорядоченная совокупность данных, предназначенных для хранения, накопления и обработки с помощью ЭВМ.

База знаний– формализованная система сведений о некоторой предметной области, содержащая данные о свойствах объектов, закономерностях процессов и явлений, а также правила использования в задаваемых ситуациях этих данных для принятия новых решений

Данные в БД логически структурированы (систематизированы) с целью обеспечения возможности их эффективного поиска и обработки в вычислительной системе. Структурированность подразумевает явное выделение составных частей , связей между ними, а также типизацию элементов и связей, при которой с типом элемента (связи) соотносится определённая семантика и допустимые операции.

БД включает метаданные, описывающие логическую структуру БД в формальном виде (в соответствии с некоторой метамоделью). В соответствии с ГОСТ Р ИСО МЭК ТО 10032-2007, «постоянные данные в среде базы данных включают в себя схему и базу данных. Схема включает в себя описания содержания, структуры и ограничений целостности, используемые для создания и поддержки базы данных. База данных включает в себя набор постоянных данных, определенных с помощью схемы. Система управления данными использует определения данных в схеме для обеспечения доступа и управления доступом к данным в базе данных».

Сверхбольшие базы данных и хранилища данных, особенно сверхбольшие (которые занимают чрезвычайно большой объём наустройстве физического хранения) требуют особых подходов к логическому и системно-техническому проектированию, обычно выполняемому в рамках самостоятельного проекта, суть которого в том, чтобы найти такое системотехническое решение, которое попросту позволило бы хоть как-то работать с такими большими объемами. Такое решение возможно при наличии трех условий: специального решения для дисковой подсистемы, специальных версий операционной и специальных механизмов обращения СУБД к данным.

Медико-биологические исследовательские системы.

Широкое использование понятия системы в биологии связано с деятельностью Л. Берталанфи. В середине 30-х годов он искал пути приложения второго принципа термодинамики к биологическим объектам.  Такая возможность была найдена и заключалась в том, что изучаемые биологические объекты (организмы) предлагалось считать открытыми системами в отличие от замкнутых систем в физике и технике, где сфера применимости принципов термодинамики является классической.  Только после II мировой войны, когда общесистемный подход перестал казаться Л. Берталанфи его «личной идеасинкразией» (по собственному его выражению), он развернул теоретическую деятельность в этом направлении.  Тогда, в 1956 г. и родилось то замечание, которое цитируется биологами как определение системы, данное Л. Берталанфи: «Имеются соответствия в принципах, которые управляют поведением сущности, а сущности эти по своей природе весьма различны. Это соответствие обязано тому факту, что все они могут рассматриваться в определенных аспектах как «системы», т. е. как комплексы элементов, находящихся во взаимодействиях».  В работах теоретического характера Н. И. Вавилов, И. И. Шмальгаузен, А. А. Малиновский, К. М. Хайлов, Г. Л. Шкорбатов, Н. М. Амосов рассматривают медико-биологические явления как системы, основанные на совокупности элементов, находящихся во взаимодействии друг с другом. Такое понимание системы позволяет биологам изучать структуру биологических явлений и объектов, что было недоступно для описательной биологии.

Медико-биологическое исследование как система-процесс.

Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации

Для того чтобы получить и зафиксировать информацию о медико-биологической системе, необходимо иметь целую совокупность устройств. Структурная схема состоит из устройства съема (электрод или датчик), усилителя, передатчика, приемника, измерительного прибора.

Определение и основные категории в РТС.

Радиотехнической системой называют организованную совокупность устройств , предназначенных для извлечения, обработки, передачи информации или энергии в целях управления процессами или объектами с использованием радиоволн. Рассмотрим основные категории, вошедшие в определение РТС: информация; извлечение информации; обработка информации; передача информации; передача энергии; устройство, система; радиоволны; управляемые процессы и объекты; пользование радиоволн.

Информация - совокупность сведений:

- о наличии или отсутствии объектов в том или ином участке пространства наблюдения;

- о классе, типе наблюдаемых объектов;

- о геометрических и физических характеристиках и свойствах наблюдаемых объектов;

- о координатах и параметрах движения наблюдаемых объектов;

- о навигационных координатах и параметрах перемещения воздушного морского, наземного объекта;

- О любых характеристиках объектов, субъектов, процессов, событий, явлений природы и общества, представленных в виде сообщений, т.е. совокупности некоторых знаков и символов без учета их смыслового (семантического) содержания.

Извлечение первичной информации - процесс формирования единичных решений о наличии, классе и единичных оценок координат и параметров движения объектов при ограниченном времени и ограниченной пространстве наблюдения, координатами объекта в сферической системе являются азимут, угол места и дальность относительно пункта наблюдения. Под параметрами движения объектов понимаются производные изменяющихся координат по времени.

Первичная информация об объектах наблюдения содержится во временных, пространственных, поляризационных характеристиках принятых сигналов (электромагнитных полей) и извлекается из этих сигналов (полей) путем анализа, т.е. пространственно-временной и поляризационной обработки на фоне помех.

Обработка информации - объединении первичной информации (единичных решений и единичных оценок) по времени (вторичная обработка) и по пространству (третичная обработка) в целях улучшения характеристик обнаружения, распознавания и измерения.

Передача информации - транспортировка каких-либо сообщений из одного пункта пространства в другой с помощью радиоволн, в основном, в интересах объединения (обработки) информации и управления поведением или движением объектов и процессов с использованием дополнительных исполнительных звеньев (рулей, устройств воспроизведения звука, изображения, текста и т.п.).

Передача энергии -- транспортировка энергии с помощью электромагнитного поля в определенное место пространства, в основном, в интересах непосредственного управления физическими, химическими и биологическими процессами на основе явлений взаимодействия поля с веществом на атомном, молекулярном и клеточном уровнях.

Радиоволны различных частотных диапазонов имеют свои особенности распространения, затухания и отражении (рассеяния) при взаимодействии с объектами наблюдения, земной поверхностью, атмосферой, неоднородными слоями тропосферы и ионосферы. Это во многом определяет возможности их использования в РТС различного назначения.

Устройство..система. два иерархических уровня радиотехнических средств: элемент, узел, каскад, блок. устройство, система. комплекс.

Управляемые объекты- движущиеся и неподвижные; космические, воздушные, морские и наземные; эргатические (с участием человека) и автоматические (без участия человека). Управление может быть связано с требуемым перемещением или с определенным поведением объекта.

Управляемые процессы - физические (управление на атомном уровне), химические (управление на молекулярном уровне), биологические (управление на клеточном уровне), психологические (управление на уровне индивидуального ощущения и сознания), социальные (управление на уровне коллективного сознания). Суть управления состоит в развитии процесса в нужном направлении.

Использование радиоволн подразумевается не только на этапе извлечения, обработки и передачи информации, но и на этапе управления процессами или объектами. Дело в том, что управление предполагает, но пользование не только информации, но и энергии, которая может доставляться к месту её потребления различными способами, в том числе и с помощью электромагнитного поля. Таким образом, в радиотехнических системах электромагнитное поле используется, в первую очередь, как информационное средство, но оно может быть использовано и как средство непосредственного энергетического воздействия на управляемые объекты или процессы.

Состав и классификация РТС и их применение.

Радиотехнические системы с учетом особенностей их функционального назначения можно разделить на 4 группы:

- радиолокационные системы (РЛС);

- радионавигационные системы (РНС);

- РТС передачи информации (РТС ПИ);

- РТС передачи энергии (РТС ПЭ).

Радиолокационная система в общем случае состоит из одного или нескольких радиопередающих устройств, обеспечивающих формирование зондирующего сигнала (сигнала подсвета), одного или нескольких радиоприемных устройств, обеспечивающих либо приём рассеянного (отраженного) объектом наблюдения зондирующего сигнала (сигнала подсвета), либо прием собственного радиоизлучения объекта наблюдения, и устройства пространственно-временной и поляризационной обработки сигнала и извлечения информации об объекте наблюдения для некоторого потребителя.

Радионавигационная система в общем случае состоит из одной или нескольких радионавигационных точек (РНТ) с априорно известными координатами и параметрами движения, излучающих согласованные по времени, частоте и фазе некоторые сигналы, радиоприёмного устройства объекта навигации и расположенного там же устройства пространственно-временной и поляризационной обработки сигналов от различных РНТ извлечения информации о навигационных параметрах, координатах и параметрах движения объекта навигации в интересах управления его поведением и движением.

Радиотехническая система передачи информации (РТС ПИ) в общем случае состоит из устройства объединения (уплотнения) сообщений от нескольких источников, устройства кодирования, т.е. преобразования группового сообщения в сигнал, канала связи, состоящего из радиопередающего и радиооприёмного устройств с антеннами, среды распространения радиоволн, устройства декодирования, т.е. преобразования принятого сигнала в групповое сообщение, и устройства разделения сообщений по каналам (адресатам или получателям сообщений (рис. 0.3). Здесь пространственно-временная и поляризационная обработка сигнала с целью извлечения информации осуществляется в антенне, РПрУ декодере и устройстве разделения каналов.

Радиотехническая система передачи энергии (РТС ПЭ) в общем случае состоит из совокупности радиоприёмных устройств - рецепторов, устройства пространственно-временной и поляризационной обработки сигнала и извлечения информации о координатах источника излучения иди рассеяния (отражения), совокупности радипередающих устройств и излучателей, формирующих сигнал с амплитудно-фазовым распределением, которое обеспечивает когерентное сложение излучаемых колебаний, т.е. фокусировку СВЧ-энергии, в заданную зону, находящуюся в окрестности источника излучения или рассеяния (отражения).

Задача РТС и принципы их решения.

Несмотря на разнообразие РТС, можно выделить общие задачи, решаемые всеми РТС:

- обнаружение сигнала;

- распознавание-различение сигналов,

- намерение параметров сигнала.

Обнаружение сигнала состоит в установлении факта наличия сигнала в определенном элементе пространства наблюдения. Наличие или отсутствие сигнала отождествляется с наличием или отсутствием символа сообщения для РТС ПИ или объекта наблюдения (излучения, рассеяния, отражения) в определенном участке пространства наблюдения для других систем.

Распознавание-различение сигналов состоит в установлении принадлежности обнаруженного сигнала к определенному типу, виду из заданного множества. В основе классификации сигналов лежат различия между ними: энергетические, по форме, временные, частотные (спектральные), пространственные, поляризационные, статистические. Классификация сигналов эквивалентна распознаванию объектов наблюдения в РЛС, различению сообщений в многоканальных РТС ПИ.

Измерение параметров сигнала отождествляется с определением координат и параметров движения объектов наблюдения для РЛС и РТС ПИ или с воспроизведением передаваемого сообщения для РТС ПИ. Измеряемыми параметрами сигналов являются время запаздывания и доплеровское смещение частоты принятого сигнала относительно излученного, наклон и кривизна волнового фронта принятого сигнала.

Основные технические характеристики.

Основными показателями РТС являются:

- характеристики обнаружения

- характеристики распознавания - различения

- точностные характеристики

- разрешающая способность

- дальность (зона) действия

- помехозащищённость

-электромагнитная совместимость

- надёжность

- стоимость

К характеристикам обнаружения относятся условные вероятности принимаесых решений о наличии или отсутствии сигнале. Из-за действия помех, ограниченных времени и пространства наблюдения, случайного характера сигнала принимаемые решения не могут быть достоверными. Остается лишь стремиться к тому, чтобы вероятности правильных решений были ближе к единице, а вероятности ложных (ошибочных) решений были ближе к нулю.

К характеристикам распознавания-различения относятся условные вероятности принимаемых решений, связанных с классификацией сигналов. Здесь, как и в задаче обнаружения, вероятности правильного распознавания-различения должны быть ближе к единице, а вероятности ложного распознавания-различения ближе к нулю.

К точностным характеристикам относятся ошибки измерения и воспроизведения параметров принимаемых сигналов, которые должны быть минимальными.

Под разрешающей способности РТС понимают способность различать наблюдать (обнаруживать, распознавать - различать, измерять параметры) несколько сигналов. Мерой разрешения является минимальная разность одноименных параметров двух сигналов (времени запаздывания, доплеровского смещения частоты, параметров волнового фронта), при которой они наблюдаются раздельно при условии, что все остальные параметры этих сигналов одинаковы.

Под электромагнитной совместимостью понимается способность РТС выполнять свои функции с заданным качеством в условиях непреднамеренных помех со стороны радиоэлектронных средств, входящих в эту РТС и в окружающие ее РТС.

Современные тенденции в развитии приборов и аппаратов для научных и клинических исследований базируются как на фундаментальных знаниях биологической и медицинской науки, так и на широком использовании достижений физики, химии, информационной техники, микроэлектронной технологии, новых материалов. Научные основы медицинского приборостроения охватывают обширный комплекс междисциплинарных знаний и методов от микро-нано-механики; до рекордно тонких аналитических методов, средств восприятия и компьютерной математической обработки биологических сигналов на предельном энергетическом уровне.

При общих высоких темпах роста (в 5--6 раз больше за последние 10 лет) объема продаж в мире медицинской аппаратуры и расширении номенклатуры этих изделий особо быстрый рост наблюдается в области наукоемких высокотехнологических изделий. Это обеспечивается за счет совершенствования новых моделей традиционного назначения и за счет приборов, реализующих новые исследовательские и клинические методики. Таким образом, можно говорить о появлении на широком рынке в практике клинического использования в короткие сроки (сменяемость каждые 3--5 лет) новых поколений приборов по всем важным клиническим направлениям.

Отечественной промышленностью, по данным за 2000/2005 г., выпускается более 1600 типов изделия (без инструментария и больничного оборудования), представляющих все важнейшие группы медицинских приборов и аппаратов различного клинического назначения. В последние годы в оснащении лечебных учреждений существенно возросла доля импортной техники, превысившая в стоимостном выражении объемы отечественного производства (табл. 1).

Тенденции развития медицинского приборостроения наиболее полно проявляются в следующих группах приборов и аппаратов, обеспечивающих реализацию наиболее эффективных лечебных и диагностических медицинских методик с использованием современных достижений в различных областях технических наук и технологий:

I. Системы и аппаратура топической диагностики.

II.Автоматизированные системы и приборы функциональной диагностики и многопараметрического мониторинга.

III.Технические средства жизнеобеспечения организма и замещения внутренних органов, хирургическая аппаратура.

IV. Аппараты и комплексы для терапии. V. Приборы и системы лабораторной диагностики.

Системы и аппаратура топической диагностики

Не вызывает сомнений, что быстрая и точная диагностика заболеваний является не только медицинской, но и экономической категорией.

Применение высокоинформативных, неинвазивных методов диагностики, в том числе на догоспитальном периоде, позволяет сократить пребывание больного на койке и раньше вернуть его к активной трудовой жизни.

По данным ВОЗ, более 75% диагнозов устанавливается лучевыми методами, другими словами, методами топической диагностики (классическая рентгенология, компьютерная рентгеновская магнитно-резонансная томография, УЗИ, радионуклидная диагностика).

Высокая эффективность этих методов привела в последние два десятилетия к бурному развитию технических средств топической диагностики.

Мировой рынок систем и комплексов этого класса аппаратуры достиг в 1996 г. 12 млрд. долларов, рынок США -- 3,6 млрд. долларов.

Изменения в продажах по группам изделий топической диагностики, например, в США и в России за 10 лет характеризуются показателями, приведенными на рисунке. Необходимо отметить, что все выше перечисленные группы технических средств топической диагностики сохраняют свои позиции с точки зрения потребности медицины, хотя имеет место явно выраженный рост в направлении УЗ - аппаратуры.

Тенденции к развитию систем и аппаратов топической диагностики можно кратко охарактеризовать следующим образом:

Таблица 1

Укрупненная характеристика промышленности медицинского приборостроения в России (2000/2005 г.)

Группа изделий	Количест- во пред- приятий	Количест- во изделий	Объем про- изводства	Мировой объем продаж
	абс.	%	абс.	%	млрд руб.	%	млрд долл.	%
Топическая диаг-
ностика	86	17	300	19	120	15	12,0	40
Функциональная
диагностика	113	23	230	14	200	25	4,0	14
Жизнеобеспече-
ние, реанима-
ция, хирургия	60	12	220	14	120	15	4,0	13
Терапия	186	37	710	44	320	40	4,0	13
Лабораторная ди-
агностика	55	11,	140 .	9	40	5	6,0	20
Всего ...	500	100	1600	100	800	100	30,0	100

-- в области рентгенодиагностической аппаратуры (РДА) -- переход к "беспленочной" технологии, "оцифровки" изображения на ранней стадии, т.е. преобразование энергии рентгеновского излучения в электронную информацию вместо пленочных кассет. Это позволяет не только повысить информативность изображения, но и существенно снизить лучевую нагрузку;

-- появление, на рынке компьютерных: рентгеновских томографов (КРТ) со спиральной разверткой изображения со сверхбыстрым получением кадра изображения (вплоть до 0,05 с), что позволило с высокой степенью достоверности диагностировать на ранней стадии сердечно-сосудистые и легочные аномалии, более Широко использовать КРТ для функциональных исследований;

-- дальнейшее усовершенствование магнитно-резонансных томографов (МРТ) со "средним" и "низким" значением напряженности магнитного поля. Многие фирмы перешли на конструкцию с постоянными магнитами, улучшены быстродействие и разрешающая способность; внедрены устройства для обеспечения визуализации с малым полем зрения. МР томографы стали использоваться также и для функциональных исследований сердца, головного мозга и др. органов для магнитно-резонансной спектроскопии тканей;

-- значительные технологические усовершенствования в области ультразвуковой (УЗ) медицинской техники -- цветовое кодирование УЗ-допплеровской информации и картирование, внедрение аппаратуры с высокоскоростными процессами. По прогнозам западных специалистов развитие УЗ- аппаратуры и объемы ее продаж в ближайшие 2-3 года будут происходить опережающими темпами;

- продолжает удерживать свои позиции в лучевой диагностике ядерная медицина (ЯМ) (радионуклидная диагностика). Это обусловлено дальнейшим совершенствованием радиодиагностической аппаратуры и созданием новых радиофармпрепаратов. Конструирование эмиссионных томографов с прямоугольными детекторами 1--3 на одном штативе, более совершенные методы обработки сигналов и пр. позволили медикам получать диагностическую информацию, недоступную другим техническим способам; о функциональном состоянии и метаболизме сердца, головного мозга, почек, печени и, других органов;

-- автоматизированные рабочие места (АРМ), системы архивации и передачи изображения (РАС5) (внутри- и межбольничные), телерадиология -- все эти медико-технологические новации вызывают все больший интерес у лучевых диагностов.

-- признание всеми, ведущими фирмами стандарта DICOM 3.0 позволило объединить в единые сети продукцию различных фирм. В последнее время все большее внимание уделяется взаимодействию РАCS с общебольничной информационной системой.

Роль технических средств при проведении медико-биологического исследования.

Система методов медико-биологических исследований

Инструментальные средства медико-биологических исследований представляют собой совокупность приборов, аппаратов, систем, комплексов и приспособлений к ним, в которых реализуются физические и физико-химические методы исследования различных биологических объектов. Выполнение этих исследований позволяет получить диагностическую информацию о состоянии объекта в виде множества медико-биологических показателей (МБП) и записей физиологических процессов, на основании анализа которых строится диагностическое заключение. Таким образом, надежность и достоверность заключений в значительной степени зависят от выбора диагностического метода (или их совокупности). Однако не всегда исследователь волен в выборе метода исследования.

К сожалению, в медико-биологической практике отсутствует универсальный метод, позволяющий предоставить полный объем требуемой диагностической информации для всех случаев формирования диагностических заключений. Даже в простых ситуациях требуется одновременное использование нескольких методов диагностики, проведение комплексных исследований. В то же время не все методы хорошо согласуются друг с другом и могут быть реализованы одновременно. Кроме того, час- тое применение наиболее диагностически эффективных методов сопряжено с методическими приемами, из-за которых возникают технологические ограничения, не позволяющие их использовать в реальных условиях эксперимента, либо их применение экономически не оправдано - связано высокими затратами средств и труда обслуживающего персонала.

Получаемая при этом информация может отставать от момента времени, когда она необходима для принятия решений о лечебных мероприятиях. Приходится искать компромиссное решение, использовать, может быть, и менее эффективные методы, которые в совокупности позволяют получить информацию за более короткий срок обследования.

Выбор оптимального набора методов для каждой задачи упрощается, если весь комплекс методов медико-биологических исследований представить 1% в виде «единой системы, между элементами которой существуют специфические формы взаимодействия». Как любая другая система, является развивающейся, характеризуется присущими только ей системными свойствами, структурой и целевыми функциями. За счет технологии выполнения экспериментов, а также технической и технологической базы производства технических средств совершенствуются методы, хорошо зарекомендовавшие себя на практике.

Электрофизиологические, фотометрические методы

Электрофизиологические и фотометрические методы медико-биологических исследований относятся к наиболее популярным, широко распространенным на практике. Более 60 % выпуска медицинской электронной техники составляют приборы и системы, с помощью которых реализуются методы этих двух групп. Такое положение объясняется широкими диагностическими возможностями электрофизиологических и фотометрических методов, простотой и доступностью технических средств, используемых для выполнения исследований с их помощью.

Распространение этих методов объясняется также и тем, что они позволяют как сложные системы для тончайшего анализа различных сред, так и простые, компактные и дешевые приборы, которые измеряют целый ряд важнейших медико-биологических показателей, характеризующих свойства, состав или концентрацию отдельных компонентов сложных биосубстратов и жидкостей.

Большой арсенал разработанных и выпускаемых серийно радиоэлектронной промышленностью различных элементов; излучателей лучистой энергии и оптико-механических устройств для направленного изменения характеристик излучений, фотоэлектрических преобразователей для аналоговой и цифровой обработки сигналов -- делают проблему разработки фотометрических приборов и систем весьма перспективной.

Биотехнические системы.

Биотехнические системы (БТС) — сложные системы, включающие биологические и технические подсистемы, которые функционируют совместно для достижения общей цели. Элементами БТС могут быть различные биологические объекты — бактерии или дрожжи в системах микробиологического синтеза, биодатчики в системах контролирования или поддержания параметров среды обитания, человек, управляющий сложными техническими устройствами, и др. Для медицины наибольший интерес представляют системы человек — машина (СЧМ), иногда называемые БТС технической ориентации, или человеко-машинными комплексами, которые позволяют наилучшим способом согласовать и использовать возможности человека для управления техническими устройствами, а также системы медико-биологической ориентации (инженерно-физиологические системы), предназначенные для создания и поддержания определенных условий функционирования организма, отдельных физиологических систем или органов. По назначению системы человек — машина весьма разнообразны: управляющие, обслуживающие, обучающие, информационные, исследовательские, экспертные и др. Их разработка ведется с привлечением результатов медицинских исследований (антропометрических, физиологических, психофизиологических), что позволяет улучшить организацию рабочего места (выбор формы управляющего пульта, расположение на нем средств отображения информации и органов управления, устранение отвлекающей информации). По мере развития автоматизированных систем управления в организации рабочего места возникают новые проблемы, связанные с компьютеризацией и организацией программной поддержки различных элементов деятельности оператора.

Переход к новым информационным технологиям во многих случаях переносит центр тяжести работы человека в СЧМ от простых действий к реализации функций управления более широкого плана. Это относится, в частности, к проблеме автоматизации рабочего места врача, где характер работы специалиста с информационными массивами определяется не только аппаратными и программными возможностями ЭВМ, но и психологическими особенностями человека. Изучение проблем создания СЧМ с учетом анатомических, физиологических, интеллектуальных и социально-психологических качеств оператора или группы операторов, рассматриваемых в качестве элемента БТС технической ориентации, является задачей инженерной психологии (эргономики). Инженерно-физиологические БТС подразделяют на системы, восстанавливающие функции целостного организма, и системы, поддерживающие жизнедеятельность отдельных систем и органов.

Среди первых можно выделить системы коррекции информационных потоков (протезирование зрения, слуха); вспомогательные системы и системы управления естественными органами (пейсмекеры, электростимуляторы, вспомогательные системы дыхания и кровообращения, системы индивидуальной тепловой защиты); технические устройства и аппараты, заменяющие естественные органы и системы (биопротезы, искусственная почка и т.д.). Создание БТС помощи рецепторным системам связано с успехами микроэлектроники, позволяющими конструировать протезы сенсорных систем. Ранее попытки вернуть человеку утраченное зрение или слух были направлены на разработку технических средств, заменяющих функции неработающего анализатора другими, работающими нормально (например, путем перевода зрительных сигналов в тактильные ощущения). В последние годы были выполнены научные программы по восстановлению утраченных функций без перевода одной модальности сигналов в другую. Наибольший прогресс достигнут в области протезирования слуха — разработаны системы, вызывающие звуковые ощущения с помощью стимулирования окончаний слухового нерва фокусированным ультразвуком или электрическим током.

Создание систем реабилитации двигательного аппарата и некоторых других функций с помощью технических средств визуализации информации ведется на принципах биологической обратной связи. Ускорение процесса восстановления нормальных двигательных или иных навыков после различного рода нарушений в нервно-мышечном аппарате осуществляется путем перевода сигналов управления в организме, отражаемых, например, миограммой, в зрительные образы, которые с помощью дисплея ЭВМ предъявляются больному. Пробуя разные способы управления движениями, пациент сравнивает получающиеся миограммы с идеальной и стремится ее воспроизвести. Это позволяет быстро найти и освоить наиболее удобные для конкретного человека способы управления мышцами. Системы типа биологической обратной связи используют и здоровые люди для скорейшей выработки двигательных или других навыков (например, спортсмены при отработке навыков выполнения сложных комплексов движений). Наибольшее распространение в медицине получили БТС, облегчающие функционирование естественных органов или стимулирующие их работу. К этому типу БТС кроме массажеров и систем электростимуляции органов относятся системы принудительной вентиляции легких, искусственного кровообращения, внепочечного очищения крови, а также системы жизнеобеспечения и средства индивидуальной защиты, используемые при работе человека в экстремальных условиях — под водой, в открытом космосе и т.п. Среди БТС, заменяющих естественные органы или утраченные функции, наиболее известны биоуправляемые аналоги органов движения, разрабатываемые с конца 50-х гг. 20 в., но они еще не вышли за рамки экспериментальных образцов. Искусственные внутренние органы представляют собой чаще всего системы типа насосов, доставляющие в организм необходимые для жизнедеятельности вещества (искусственное сердце, искусственная поджелудочная железа) или выводящие из организма продукты обмена. Главным направлением инженерной физиологии как научной дисциплины является анализ процессов взаимодействия физиологических систем организма с техническими устройствами и системами, т.е. анализ процессов обеспечения жизни в техносфере.

Основными методами анализа являются математическое моделирование поведения систем организма при взаимодействии с техническим окружением и вычислительные эксперименты (см. Математические методы в медицине). Важной задачей разработки БТС является проблема согласования биологических объектов с техническими компонентами — выбор алгоритмов управления техническими средствами в соответствии с потребностями живых систем. Прогресс в конструировании и применении БТС биомедицинского направления обусловлен как достижениями биологии, физиологии и кибернетики в понимании сущности жизненных процессов, так и успехами микроэлектроники и компьютерной техники как средств использования накопленных знаний для медицинских целей.