Проблемы методологии прогнозирования и стратегического планирования научно-технологического развития (на примере авиастроения)

В качестве стратегических приоритетов государства в области авиационной деятельности определены:

1. Реализация и защита государственных интересов Российской Федерации в области национальной безопасности на основе обеспечения высокого технического уровня и боевой эффективности новых образцов авиационной техники и вооружения.

2. Обеспечение доступности и качества услуг авиационного транспорта для населения, предприятий экономики, государственных служб Российской Федерации и ее субъектов.

3. Обеспечение конкурентоспособности российского авиастроения на внутреннем и мировом рынках авиационной техники.

Приоритеты научно-технологического развития авиастроения представляют собой генеральные цели, отвечающие потребностям общества, экономики, национальной обороны. Перечисленные государственные приоритеты далее конкретизируются до уровня целей развития науки и технологий в гражданском и военном авиастроении. Так, в качестве основных целей создания научно-технического задела в области гражданского авиастроения определено получение научно-технических результатов, обеспечивающих:

1. Достижение приемлемого уровня эффективности обеспечения безопасности полетов.

2. Повышение экономической и физической доступности услуг, оказываемых с применением авиационной техники российского производства.

3. Повышение качества работ и услуг, оказываемых с применением авиационной техники российского производства и уровня конкурентоспособности авиационной техники российского производства.

4. Снижение вредного воздействия авиационной техники на окружающую среду.

В соответствии с выбранными генеральными целями, определяются приоритетные направления и задачи развития науки и технологий в авиастроении. Так, например, для достижения цели повышения доступности авиаперевозок может быть актуальным снижение стоимости авиаперевозок, которое может быть достигнуто благодаря сокращению расхода авиатоплива, трудоемкости ТОиР, и т.п. В свою очередь, снизить расход топлива можно несколькими способами и т.п. Таким образом, система целеполагания научно-технологического развития авиастроения представляет собой иерархическую систему. На рис. 1 схематично изображена иерархия целей развития науки и технологий в авиастроении, и приведен пример (фрагмент) иерархического дерева целей.

Рисунок 1. Иерархия целеполагания и система показателей и индикаторов развития науки и технологий в авиастроении (пример).

Особо подчеркнем, что генеральные цели развития науки и технологий должны иметь самостоятельное социально-экономическое или оборонное значение для страны. Само по себе снижение расхода топлива, повышение крейсерской скорости и т.п. экономической и социальной значимостью не обладают - они являются лишь возможными путями достижения описанных целей, т.е. направлениями и задачами развития технологий.

Научно-технологическое развитие должно быть нацелено на повышение уровня совершенства перспективной наукоемкой продукции. Поэтому ограничиваться лишь качественным перечислением новых технологий принципиально некорректно и недостаточно: сама по себе новизна не является признаком какой-либо целесообразности. Следовательно, описание процесса научно-технологического развития - в т.ч. описание его будущих траекторий - должно включать в себя,

· во-первых, описание конкретных «дискретных» технологий и сроков их зарождения на уровне идей, доведения до промышленного уровня готовности и ввода в эксплуатацию,

· и, во-вторых, количественное описание изменения показателей совершенства технологий со временем.

Описание процессов научно-технологического развития должно включать в себя как качественную, так и количественную информацию. Цели развития науки и технологий в авиастроении (на всех уровнях, от генеральных целей до целей более низких уровней) должны быть выражены в количественной форме. Применительно к гражданскому авиастроению соответствующие цели технологического развития могут формулироваться следующим образом: например, «снизить себестоимость авиаперевозок на %», «обеспечить возможность взлета и посадки воздушных судов на необорудованные грунтовые аэродромы с длиной ВПП… и несущей способностью покрытия…» и т.п.

На верхнем уровне иерархии количественных показателей находятся показатели достижения генеральных целей развития науки и технологий. Актуальной научной проблемой является обоснование состава показателей достижения вышеперечисленных генеральных целей. Их целевые значения определяются в рамках систем более высокого уровня - национальной экономики, обороны, геополитической системы и т.п. Можно назвать соответствующую проблему формированием «образа желаемого будущего» авиации, причем, в количественном выражении. Необходим содержательный анализ принципиальной совместимости целевых значений показателей достижения генеральных целей - например, можно поставить цели снижения удельных (в расчете на пассажиро-километр) выбросов СО₂ в 2 раза, и сокращения удельного расхода топлива лишь на 15%, но они совместно выполнимы лишь при условии перехода большей части парка авиационной техники на использование иных видов топлива, не углеводородных и т.п.

Далее необходима конкретизация целеполагания на нижестоящих уровнях. Достижение каждой цели может требовать достижения определенных целевых уровней совершенства перспективной авиационной техники. Так, например, цели высшего уровня могут предусматривать повышение экономической доступности авиаперевозок, которое, в свою очередь, при высокой цене авиатоплива, прежде всего, требует снижения удельного расхода топлива. Но в принципе аналогичное сокращение себестоимости перевозок может быть достигнуто и за счет снижения на некоторые величины цены воздушного судна, стоимости его ТОиР и т.п. В свою очередь, сокращение удельного расхода топлива на % может быть достигнуто такими путями, как «повышение аэродинамического качества воздушных судов благодаря использованию новой компоновки на %»; «снижение массы конструкции воздушных судов благодаря внедрению полимерно-композитных материалов на %» и т.д. Какой из этих путей наиболее реалистичен - до начала исследований и разработок принципиально неизвестно. Тем более, заранее неизвестно, какой из этих путей потребует меньших затрат ограниченных ресурсов.

Но если эффективность различных путей достижения данной цели априорно неизвестна, то социально-экономическую эффективность постановки тех или иных целей, а также риски, сопряженные с их достижением, возможно и необходимо оценивать заранее в ходе системных прогнозных исследований, поднимаясь «снизу вверх» по иерархии целей. Так, в приведенном примере необходимо оценить, насколько повысится реальная доступность авиаперевозок вследствие намеченного повышения топливной экономичности воздушных судов. Далее необходимо проанализировать целый ряд рисков, сопряженных с возможным ростом авиационной подвижности населения - например, риск исчерпания пропускной способности авиатранспортной инфраструктуры, или риск проявления эффекта рикошета, описанного в работах [1, 2]. В результате действия данного эффекта спрос на авиатопливо и его цена могут возрасти настолько значительно, что ожидаемое удешевление перевозок не будет достигнуто; также возможны негативные экологические последствия в виде увеличения суммарного объема выбросов вредных веществ. Такой системный анализ совместимости целей научно-технологического развития, их реальной эффективности (социально-экономической, экологической и др.) и рисков реализации возможно и необходимо провести, еще не зная, какие именно конструктивно-технологические решения позволят достичь поставленных целей.

Особенности формирования требований к перспективным технологиям. Таким образом, каждая цель может быть достигнута различными путями, или способами (они названы направлениями развития науки и технологий в авиастроении). В количественном выражении это означает, что в пространстве показателей совершенства перспективной авиационной техники выделяется не единственное сочетание значений, а целевая область значений показателей совершенства, обеспечивающих достижение целей высшего уровня в заданных условиях. На основе иерархических моделей сложных систем, наподобие изображённой на рис. 1, могут быть поставлены два типа задач:

· прямая задача - прогнозирования эффективности развития технологий: по известным «входам», т.е. показателям достижения целей нижних уровней оценить достижимый уровень реализации целей более высоких уровней,

· и обратная задача - планирования развития технологий: по заданному целевому значению показателя достижения генеральной цели, определить целевые уровни достижения нижестоящих целей, т.е. декомпозировать цели верхних уровней.

Обратная задача, как правило, не имеет однозначного решения в виде единственной точки, единственного набора параметров, позволяющего достичь генеральных целей.

Приведем реалистичный и практически важный пример. В качестве генеральной цели развития науки и технологий в авиастроении может ставиться цель обеспечения конкурентоспособности авиационной техники российского производства на мировом рынке, а точнее, выхода российского гражданского авиастроения на глобальный рынок. Актуальной проблемой для российского гражданского авиастроения является формирование требований к т.н. прорывным типам изделий, т.е. таким, которые по своим технико-экономическим характеристикам могут решить задачу выхода отечественного авиастроения на новые рынки, занятые зарубежными конкурентами, а также возвращения на утраченные рынки. Поскольку авиационная техника относится к изделиям длительного пользования, завоевание нового рынка требует массовой замены имеющегося парка (даже обладающего остатком ресурса) на новые изделия. Для этого экономия текущих эксплуатационных затрат при немедленной замене современных ВС на «прорывные» должна превышать стоимость приобретения последних (в расчете на летный час или пассажиро-километр), см. [3, 4]. С использованием предложенного критерия была рассчитана Расчеты проведены на основе официальных данных производителей и разработчиков о технико-экономических параметрах ВС [5, 6]. верхняя граница области параметров (цены ВС и часового расхода топлива в крейсерском режиме), которыми должен обладать перспективный российский самолет МС-21 для того, чтобы при его выходе на рынок авиакомпании были заинтересованы в досрочной замене современных ВС зарубежного производства. Наглядно результаты расчетов приведены на рис. 2, причем, положение целевой границы параметров зависит от цены ГСМ, поскольку одно и то же преимущество в расходе ГСМ может иметь различный «вес», по сравнению с ценой ВС, в зависимости от цены авиатоплива. Целевыми являются все сочетания цены и часового расхода топлива, которые расположены под соответствующими границами. Из рисунка видно, что, по мере удорожания ГСМ, граница целевой области смещается вверх и вправо, т.е. все больше сочетаний технико-экономических параметров становится допустимыми.

Рисунок 2. Целевая область параметров, характеризующих «прорывный» тип магистрального самолета (пример).

Помимо собственно значений показателей совершенства изделий авиационной техники критическое значение имеют сроки их достижения. Поэтому время является еще одним «измерением» в многомерной области допустимых значений показателей совершенства технологий.

Рациональная степень конкретизации целевых показателей совершенства (и число уровней в дереве целей развития технологий в авиастроении) может быть различной, в зависимости от стадии инновационного развития технологий. Можно заметить, что в приведенных примерах ставились цели сокращения расхода авиатоплива на ту или иную величину, поскольку предполагалось, что повышение доступности авиаперевозок может быть достигнуто в т.ч. (или даже преимущественно) таким путем. Однако, например, если углеводородное топливо многократно подешевеет, снижение его расхода утратит актуальность с точки зрения снижения себестоимости авиаперевозок и повышения их доступности (но, заметим, не с точки зрения снижения уровня выбросов СО₂). Тем более, если появятся реалистичные возможности отказа от тепловых двигателей (путем перехода на электрические с аккумуляторами, топливными элементами или др. источниками), само по себе направление снижения расхода топлива утратит актуальность полностью. Неопределенность путей достижения целей, т.е. направлений развития науки и технологий, возрастает именно в периоды смены технологических укладов, преодоления технологических разрывов, см. [7]. В такие периоды бессмысленно слишком глубоко детализировать приоритетные направления и задачи развития технологий, а также устанавливать в количественной форме уровни решения этих задач.

Элементы процесса прогнозирования научно-технологического развития авиастроения, и их взаимосвязь. В общем виде, процесс управления развитием сложной системы (к которым относится и авиация в широком смысле, включая как авиастроение, так и сферу эксплуатации авиационной техники - гражданскую авиацию, ВВС и т.д.) можно представить следующим образом. Лица, принимающие решения (ЛПР), руководствуясь своими целевыми установками, определяют цели развития науки и технологий в отрасли, выбирают приоритетные направления развития с учетом внешних условий. В общем случае, можно считать внешними (для научно-технологического развития авиастроения) условиями

Рисунок 3. Блок-схема интегрированного процесса прогнозирования процессов научно-технологического развития авиастроения.

На первый взгляд, выбор приоритетных направлений научно-технологического развития, конкретных перспективных технологий и их сочетаний в рамках комплексных проектов должен осуществляться в рамках планирования, т.е. за рамками процессов прогнозирования в узком смысле. Тем не менее, учет целей развития науки и технологий должен осуществляться с самого начала процесса прогнозирования, поскольку, не зная этих целей, невозможно обоснованно выбрать потенциально перспективные технологии, которые в принципе могут представлять интерес. В отсутствие целевых приоритетов, набор потенциально доступных технологий становится необозримым, невозможно его содержательное формирование. Поскольку фундаментальный научный задел, как правило, существенно опережает прикладные научные результаты, на основе имеющихся фундаментальных знаний могут быть развернуты прикладные исследования и разработки во многих возможных направлениях. Однако ограниченность необходимых для этого ресурсов - материальных, финансовых, и, в первую очередь, кадровых - делает эти направления альтернативными. Соответственно, прогресс, достигнутый в том или ином направлении научно-технологического развития, зависит от того, было ли ранее принято решение о проведении в данном направлении исследований и разработок, о расходовании на него ограниченных ресурсов, и в каких объемах. Таким образом, и прогноз технологических возможностей («предложения технологий») в долгосрочной перспективе зависит от того, какие направления развития были выбраны в качестве приоритетных, и какие ресурсы были затрачены на продвижение в этих направлениях. Иначе говоря, и прогнозирование «предложения» технологий с необходимостью требует учета целей научно-технологического развития, что и отображено на рис. 3 пунктирной стрелкой.

Анализ взаимосвязи процессов прогнозирования и стратегического планирования научно-технологического развития авиастроения. При разработке долгосрочных прогнозов развития сложных систем (организационно-технических, социально-экономических и т.п.), в т.ч. в области науки и технологий, следует исходить из многовариантности траекторий развития таких систем. Задача поиска одной, наиболее вероятной траектории в таком случае не представляет научного или практического интереса, поскольку траектории развития зависят от решений, принимаемых заинтересованными сторонами. Сам по себе процесс научно-технологического развития (как и процессы социально-экономического развития) не относится к самопроизвольным процессам наподобие природных - он является результатом сложной (не обязательно согласованной, нередко, наоборот, конфликтной) деятельности различных субъектов. Соответственно, прогнозирование научно-технологического развития коренным образом отличается от прогнозирования неуправляемых, неконтролируемых процессов, например, от прогнозирования погоды. Такой прогноз не может ограничиваться лишь пассивным предсказанием будущих событий - они явным образом зависят от поведения субъекта прогнозирования, от принимаемых им решений.

Рисунок 4. Принципы оптимального планирования развития технологий.

Требования к уровню показателей совершенства перспективных изделий со временем ужесточаются (в соответствии с прогнозами развития технологий у конкурентов, ужесточения экологических норм и т.п.), что отображается возрастающим графиком ограничения снизу на рис. 4. Он иллюстрирует прогноз «спроса на технологии», т.е. область желательных значений показателей совершенства перспективной авиационной техники и требуемых сроков их достижения. Точки отображают достижимые в результате реализации комплексных проектов уровни показателей совершенства перспективных изделий, а также сроки достижения данным проектом (как интегрированной системой технологий) промышленного уровня готовности. И если ожидаемый в результате реализации данного проекта уровень совершенства технологий ниже минимально необходимого на момент завершения проекта (т.е. точка лежит ниже кривой ограничения снизу), такой проект заведомо неэффективен. Но и среди тех комплексных проектов, для которых точки в пространстве «ожидаемый уровень совершенства - ожидаемое время завершения» лежат над кривой минимальных требований, приходится отбирать приоритетные. Такой отбор уже требует решения оптимизационной задачи по критериям более высокого (чем конкретные показатели совершенства технологий) уровня. Например, из соображений завоевания конкурентных позиций отечественным авиастроением может оказаться выгоднее отказаться от реализации комплексного проекта, обещающего снижение прямых эксплуатационных расходов (ПЭР) для пассажирских самолетов на 10% через 5 лет, сосредоточив ресурсы на ином проекте, обещающем снижение ПЭР на 30% через 15 лет, и т.п. Оптимальная программа исследований и разработок формируется с учетом рисков и неопределенностей, свойственных научным исследованиям, ограничений по располагаемым ресурсам.

Результатом стратегического планирования научно-технологического развития отрасли должна быть постановка научно обоснованных целей и задач развития науки и технологий в авиастроении. Как следует из описанных выше принципов стратегического планирования научно-технологического развития авиастроения, его прогноз сам по себе является важнейшей частью подготовки принимаемых решений и, в конечном счете - фактором, определяющим траектории дальнейшего развития, т.е. относится к т.н. активным прогнозам. Прогноз определяет технологические развилки, точки принятия решений. Поведение субъекта прогнозирования, принимаемые им в будущем решения сами по себе становятся предметом прогнозирования. Т.е. субъект прогнозирования становится и одним из его объектов. При этом и прочие объекты в рассматриваемой системе (конкуренты разработчика или заказчика прогноза в авиационной промышленности, организации взаимодействующих отраслей, государственные органы власти и т.п.) также принимают решения, руководствуясь своими интересами. Следовательно, рассматриваемая система «авиационная промышленность и отраслевая наука - воздушный транспорт - прочие отрасли экономики - государство» относится к т.н. активным системам (см., например, [10]), состоящим из целенаправленно действующих агентов, преследующих свои интересы. Их целенаправленное поведение становится одним из основных предметов исследования при прогнозировании научно-технологического развития авиации.

Процесс научно-технологического развития авиастроения зависит от принятой в стране стратегии развития данной отрасли. Какие именно технологии будут наиболее перспективными - зависит от приоритетов и целевых установок, которыми руководствуется субъект прогнозирования и другие активные агенты в изучаемой системе. В сфере авиастроения наиболее существенный стратегический вопрос, решение которого в значительной степени определяет направления технологического развития, таков: развивается ли данная отрасль в стране как источник доходов (преимущественно, экспортных), либо как средство удовлетворения потребностей национальной транспортной системы в воздушных судах для обеспечения транспортного обслуживания страны. В России как стране с относительно небольшим населением и малой долей в мировом населении и валовом продукте, эти два стратегических приоритета, хоть и не являются строго антагонистичными, но весьма конфликтны между собой. Поэтому необходимо решать научно обоснованными методами проблему стратегического выбора как одну из принципиальных для российской авиационной промышленности и отраслевой науки.