Основы научных исследований в управлении и организации технологических процессов на транспорте

Р. Н. Сафиуллин, 
В. Н. Федотов, 
М. В. Богданов 

ОСНОВЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 
В УПРАВЛЕНИИ И ОРГАНИЗАЦИИ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 
ПРОЦЕССОВ НА ТРАНСПОРТЕ 

Учебное пособие 

Под редакцией доктора технических наук, 
профессора Р. Н. Сафиуллина 

Москва 
Берлин 
2020 

УДК 656.025.4(075) 
ББК 65.37-813я73  
 С12 

Рецензенты: 
Агеев С. П. — доктор технических наук, доцент, профессор кафедры электроэнергетики и электротехники 
Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета; 
Ожегов Н. М. — доктор технических наук, профессор кафедры автомобилей, тракторов  
и технического сервиса Санкт-Петербургского государственного аграрного университета 

Сафиуллин, Р. Н. 

С12 
Основы научных исследований в управлении и организации технологических 
процессов на транспорте : учебное пособие / Р. Н. Сафиуллин, В. Н. Федотов, 
М. В. Богданов ; под ред. Р. Н. Сафиуллина. — Москва ; Берлин : Директ-Медиа, 
2020. — 280 с. 

 ISBN 978-5-4499-1608-2 

Учебное пособие «Основы научных исследований в управлении и организации технологических 
процессов на транспорте» предназначено для студентов высших учебных заведений при изучении данного теоретического курса и выполнения исследований по выбранной теме с целью освоения методологии и методики научных исследований, системного анализа необходимой информации, основ планирования и проведения эксперимента, обработки результатов измерений, наблюдений и составления 
отчета по результатам научного исследования.  
Учебное пособие написано в соответствии с Федеральным государственным образовательным 
стандартом высшего образования и предназначено для бакалавров, магистров. Материал книги может 
быть использован при чтении лекций, проведении практических занятий, самостоятельной работы 
и при подготовке аспирантами научно-квалификационных работ, а также представлять практический 
интерес для научных и инженерно-технических работников, чья деятельность связана с эксплуатацией 
транспортных средств. 

УДК 656.025.4(075) 
ББК 65.37-813я73  

ISBN 978-5-4499-1608-2 
© Сафиуллин Р. Н., Федотов В. Н., Богданов М. В., текст, 2020
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................ 7 

Глава 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ................................................... 10 

1.1. Проблема принятия решения и её эволюция .................................................... 10 

1.2. Основные понятия исследования ....................................................................... 13 

1.2.1. Классификация задач принятия решений ................................................. 18 
1.2.2. Исследование операций как научная дисциплина ................................... 20 

1.3. Сущность и принципы системного подхода ..................................................... 26 

1.3.1. Сложные системы. Системный подход ..................................................... 26 

1.4. Прямые и обратные задачи исследования ......................................................... 32 

1.5.  Свойства технических систем ........................................................................... 39 

1.6. Принципы системного подхода ......................................................................... 47 

Глава 2. ОРГАНИЗАЦИЯ  НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ 
В РОССИИ ....................................................................................................................... 55 

2.1. Ученые степени и ученые звания ....................................................................... 59 

2.2. Подготовка научных и научно-педагогических кадров в России ................... 62 

2.3. Квалификация «магистр» и его научный статус .............................................. 64 

2.4. Критерии, которым должны отвечать диссертации,  
представленные на соискание ученой степени ........................................................ 68 

2.5. Научно-исследовательская работа магистров .................................................. 74 

Глава 3. ПРЕДМЕТ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 
И ЕГО СОДЕРЖАНИЕ ................................................................................................... 77 

3.1. Наука и ее содержание ........................................................................................ 77 

3.2. Научное исследование ........................................................................................ 80 

3.3. Научно-техническая информация ...................................................................... 83 

Глава 4. ФОРМУЛИРОВАНИЕ ТЕМЫ И НАПРАВЛЕНИЯ 
НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ................................................................................... 88 

4.1. Понятийный аппарат научного исследования (диссертации) ......................... 88 

4.2. Объект, предмет и цель исследования ............................................................... 91 

4.3. Научные положения, результаты, выводы и рекомендации ........................... 93 

4.4. Научная новизна, личный вклад в науку ........................................................... 94 

4.5. Практическая ценность (значимость), вклад в практику ................................. 96 

4.6. Научная достоверность ....................................................................................... 97 

4.7. Название (наименование, тема) диссертации ................................................... 99 

4.8. Общие правила решения инженерных задач .................................................. 106 

4.8.1. Общие принципы конструирования машин и пути 
их реализации ...................................................................................................... 106 

4.8.2. Основные правила конструирования машин .......................................... 107 

Глава 5. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО 
МОДЕЛИРОВАНИЯ  И СИСТЕМНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ................................. 109 

5.1. Моделирование как естественный процесс познания .................................... 109 

5.2. Математическое моделирование ...................................................................... 111 

5.3. Основы построения математических моделей процессов 
технической эксплуатации и ремонта автомобилей ............................................. 116 

5.4. Методология системных исследований .......................................................... 129 

Глава 6. МЕТОДОЛОГИЯ ВЫБОРА И ОБОСНОВАНИЯ КРИТЕРИЕВ 
ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ ............................................ 135 

6.1. Требования к выбору и обоснованию критериев ........................................... 135 

6.2. Методика построения дерева целей ................................................................ 137 

6.3. Методика обоснования интегрального критерия ........................................... 140 

6.4. Методика разработки частных критериев ....................................................... 144 

Глава 7. МЕТОДОЛОГИЯ  ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ......... 150 

7.1. Общие сведения об экспериментах ................................................................. 150 

7.2. Методология проведения эксперимента ......................................................... 151 

7.3. Методика обоснования количества опытов  при проведении 
эксперимента ............................................................................................................ 157 

Глава 8. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ  ОБРАБОТКИ 
ДАННЫХ ИСПЫТАНИЙ — ИНТЕРВАЛЬНОЕ ОЦЕНИВАНИЕ .......................... 168 

8.1. Определение моментов случайных величин .................................................. 168 

8.2. Математическое обеспечение обработки данных испытаний ...................... 175 

Глава 9. ТЕОРИЯ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ .............................................. 178 

9.1. Общие понятия о системах массового обслуживания ................................... 178 

9.2. Процесс построения математической модели  системы массового 
обслуживания ........................................................................................................... 182 

9.3. Основные типы системы массового обслуживания ....................................... 185 

Глава 10. ВЕРОЯТНОСТНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ 
ОБРАБОТКИ ДАННЫХ С ПРИОРИТЕТОМ ............................................................. 192 

10.1. Методика обработки донесений с приоритетом ........................................... 192 

10.2. Метод статистических испытаний ................................................................. 196 

10.3. Проверка на адекватность математических моделей ................................... 198 

Глава 11. ТЕОРИЯ УПРАВЛЕНИЯ ЗАПАСАМИ ..................................................... 200 

11.1. Предмет и постановка задачи теории управления запасами ....................... 200 

11.2. Основные понятия и определения теории управления запасами ............... 201 

11.3. Элементарные детерминированные модели управления запасами ............ 203 

Глава 12. ВЕРОЯТНОСТНЫЕ МОДЕЛИ  УПРАВЛЕНИЯ ЗАПАСАМИ ............... 218 

12.1. Статистический метод определения параметров  системы 
управления запасами ................................................................................................ 218 

Глава 13. ДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ  УПРАВЛЕНИЯ ЗАПАСАМИ ................ 229 

13.1. Обобщенная вероятностная модель функционирования  системы 
снабжения при непрерывном спросе ...................................................................... 232 

13.2. Вероятностная модель с фиксированным заказом (поставкой) .................. 233 

13.3. Вероятностная модель с постоянным уровнем запаса ................................. 234 

13.4. Вероятностная модель двух уровней ............................................................. 235 

13.5. Вероятностная модель трех параметров ....................................................... 235 

Глава 14. МОДЕЛИ И МЕТОДЫ В АНАЛИЗЕ АВАРИЙНОСТИ ............................. 237 

14.1. Понятие моделирования.................................................................................. 237 

14.2. Типы моделей .................................................................................................. 238 

14.3. Пути реализации модели ................................................................................ 239 

14.4. Вероятностно-статистические модели и методы .......................................... 240 

14.5. Статистические методы проверки гипотез .................................................... 242 

14.6. Выделение аномальных наблюдений ............................................................ 244 

14.7. Проверка независимости характеристик ....................................................... 247 

14.8. Определение наличия тренда .......................................................................... 248 

14.9. Критерий принадлежности двух выборок  одной  и той же 
генеральной совокупности ....................................................................................... 249 

14.10. Критерии проверки нормальности распределения ..................................... 250 

14.10.1. Модифицированный критерий ............................................................. 250 

14.10.2. Критерий Шапиро — Уилка ................................................................. 251 

14.11. Линейный регрессионный анализ ................................................................ 252 

14.12. Имитационное моделирование ..................................................................... 253 

14.13. Векторная оптимизация ................................................................................ 254 

14.14. Оптимизационная задача выбора мероприятий,  направленных 
на снижение ущерба от ДТП ................................................................................... 256 

Глава 15. МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ  АЛГОРИТМОВ РЕШЕНИЯ 
ЗАДАЧ НА ЭВМ ........................................................................................................... 258 

15.1. Состав, наименование, обозначение символов  и отображаемые 
ими функции ............................................................................................................. 258 

15.2. Методика разработки алгоритма задач  по техническому 
обеспечению ............................................................................................................. 264 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................................. 274 

Приложение. ГЛОССАРИЙ ......................................................................................... 275 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .................................................... 277 

ВВЕДЕНИЕ 

Начало нашего века совпало с развертыванием цепи событий, приведших к 
явлению, которое мы сейчас называем научно-технической революцией (НТР). 
Сейчас каждое государство в структуру своей стратегической доктрины — 
основных принципов развития общества — включает вопросы научно-технического 
прогресса (НТП), в том числе и военном деле. 
В настоящее время не только сам процесс открытий и не только процесс доведения этих открытий до приемлемой практически реализуемой формы, но и процесс передачи и освоения результатов НТП требует участия науки. И многие другие 
проблемы жизни общества, которые ранее решались на базе интуиции или здравого 
смысла, на опыте поколений, сейчас требуют активного и целенаправленного вмешательства, участия науки. Ни один серьезный вопрос в современных условиях 
нельзя эффективно решить, не опираясь на науку. 
Общество не может способствовать НТП, не создав научную теорию, научные 
основы управления. На пути решения этой проблемы стоят не только технические 
трудности, но и трудности психологического характера. Еще не каждый ученый, не 
каждый участник НТП осознал закономерность перехода к управлению творческим 
трудом исследователей. Дело в том, что при жизни буквально одного-двух поколений ученых произошло коренное изменение такого характерного соотношения: 
в XVII–XIX вв. продолжительность творческой жизни ученого (35–37 лет) была в 2–
3 раза меньше периода существования общепринятых теорий и методов исследований. То есть человек мог родиться, сформироваться как ученый, прожить всю 
жизнь, вырастить учеников, эти ученики — своих учеников, и все в пределах, 
например, гипотезы флогистона. Учитель мог высказать идею, а реализация ее, доведение до практики, доставалась, как правило, ученикам. Это было естественно. 
Сейчас это соотношение уменьшилось на порядок. Период обновления науки стал 
меньше продолжительности индивидуальной творческой жизни исследователей и 
составляет по отношению к ней величину 0,3–0,4. Это означает, что за одну индивидуальную жизнь творца НТП ему приходится в три раза или даже три-четыре раза 
(в быстроразвивающихся областях и военном деле) существенно переучиваться, 
овладевать новыми концепциями, методами и принципиально новыми техническими средствами создания научной работы. При этом возросла и индивидуальная ответственность творца за судьбу того, что он открыл. 
Явление ускорения темпов НТП имеет конкретные, количественно оценимые 
формы проявления в мире науки, например, заметно учащаются такие события, как 
уточнение и обновление взглядов, тенденций, концепций, методов исследования, 
принятых в той или иной конкретной научной дисциплине. 
Можно напомнить, что аристотелевская теория гравитации просуществовала 
около двух тысяч лет; идеи Ньютона ждали своего обобщения и существенного 
уточнения примерно две сотни лет; теория строения атома Резерфорда — Бора — 
несколько десятков лет. 
Существует и другая совокупность данных, показывающих явное сокращение 
временной дистанции между научным открытием и его практической реализацией. 
Открытие фотографии прошло этот путь более чем за сто лет, телефон — примерно 
за шестьдесят лет, радиолокатор за пятнадцать, ядерный реактор — за десять и т. д. 
Нужно сказать, что при этом происходит не только ускорение реализации результатов исследования, но каждый раз это ускорение приводит к качественным 
характеристикам, к обновлению лика, параметров и возможностей технических 

средств. Вместе с тем все более дают о себе знать социальные последствия научнотехнического прогресса. 
К этому следует сделать одно существенное замечание. Подобного рода примеры могут привести к мысли о том, что по мере нарастания мощи нашего знания и 
ускорения прогресса каждый шаг на пути в будущее становится все более легким. 
Это не так. Действительно, каждый шаг НТП дает все больший эффект, т. е. реализация этих потенций науки и техники, ее возможностей дает все большую отдачу 
обществу. Но каждый шаг вперед достигается все большим трудом, все большей 
затратой научного потенциала, творческих сил ученых и материальных ресурсов 
общества. 
Так, переход от одного поколения машин к другому происходит все быстрее и 
дает все больший абсолютный и отнесенный к размерам затраченных средств эффект. И в то же время каждый переход от поколения к поколению машин требует 
все большего объема исследовательских, конструкторских и экспериментальных 
работ, все более глубокой перестройки производства. Это важное обстоятельство 
нужно иметь в виду при обсуждении последствий и формировании выводов об 
ускорении темпов научно технического прогресса. 
Из сказанного взаимодействия научно-технических и организационноэкономических факторов вытекает несколько важных выводов. Для того чтобы 
обеспечить ускоренные темпы НТП и экономическую заинтересованность общества 
в поддержании высоких темпов обновления технических средств, необходимо соблюдение следующих кардинальных условий. 
Быстро расширяющаяся масштабность реализаций. Эффект тиражирования 
уже освоенных и отлаженных нововведений выражается в многократном получении 
экономической и социальной отдачи при незначительных (в сравнении с первоначальными) дополнительных вложениях. 
Интенсификация научно-технического труда и сокращение затрат по всему 
циклу «исследование — проектирование — подготовка производства» является 
жизненно важным условием ускорения темпов и повышения эффективности НТП, 
сюда входит также автоматизация обработки данных и планирование экспериментальных исследований, автоматизированное проектирование новых технических 
средств, включая конструирование и технологическую подготовку производства. 
Особенностями НТР являются возрастающая роль науки; возможность автоматизации не только физического, но и умственного (не творческого) труда; бурный 
рост и обновление научно-технической информации; быстрая смена материалов, 
конструкций, машин, технологических процессов; резкое увеличение разновидностей инженерных решений; повышение уровня комплексной механизации и автоматизации, а также систем управления. 
Развитие НТП сказывается на совершенствовании высшего образования. Он 
предъявляет новые возросшие требования к знаниям военных специалистов, их 
творческому развитию, умению находить наиболее рациональные конструктивные, 
технологические, организационные и экономические решения; хорошо ориентироваться в отборе научной информации; ставить и решать различные принципиально 
новые вопросы. 
Выполнение поставленных задач возможно в случае вооружения молодых 
специалистов новейшими знаниями в области научных исследований. Это обязывает высшую школу широко привлекать обучающихся (магистров, аспирантов) к проведению научных исследований. Таким образом, научная подготовка магистров (аспирантов) в вузах — одна из главнейших программ обучения. Важным этапом 

развития высшей школы является введение в учебный процесс предметов «Основы 
научных исследований», «Основы инженерного исследования», «Теория и практика 
инженерного исследования», «Теория принятия решений» и т. д., в которых рассматриваются методология, методы научных, инженерных исследований, принятия 
решений и творчества, а также способы их организации. 
Введение данных предметов обязывает всех обучающихся освоить элементы 
методики научных исследований, что способствует развитию рационального творческого мышления; организации их оптимальной мыслительной деятельности. За 
период обучения должен выполнить те или иные научные исследования в различных формах учебного процесса под руководством одного руководителя. 
В результате изучения теоретического курса и выполнения исследований по 
выбранной теме магистр должен освоить методологию и методику научных исследований, а также уметь отбирать и анализировать необходимую информацию, формулировать цель и задачи, разрабатывать теоретические предпосылки, планировать 
и проводить эксперимент, отрабатывать результаты измерений и оценивать погрешности и наблюдения, сопоставлять результаты эксперимента с теоретическими 
предпосылками и формулировать выводы научного исследования; составлять отчет, 
доклад или статью по результатам научного исследования. 

Глава 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 

1.1. Проблема принятия решения и её эволюция 

Процесс принятия решения не нов, им интересовались еще жрецы и мудрецы 
глубокой древности, светила античных времен, его изучают и современные ученые. За 
всю историю своего существования люди пользовались различными способами принятия решения. Поэтому неудивительно, что с древних времен до настоящего времени проблемы решения входят в число актуальных проблем науки. При этом 
наибольшее внимание обращается на решение нестандартных задач, которые носят 
творческий характер. 
Информационные источники, дошедшие до нас с древнейших времен, свидетельствуют, что уже тогда людей волновал вопрос, каким образом происходит принятие решения, особенно творческого, каков рациональный путь к выбору правильного поступка при новых, ранее не встречавшихся обстоятельствах, каким образом 
люди создают новое и полезное. Например, известно пособие по принятию решения, 
которое написал около четырех тысяч лет назад в Китае И. Чинг. Это пособие 
явилось оригинальным руководством в творческой работе. По мнению некоторых зарубежных специалистов (Ф. Д. Баррет и др.) известный трактат не потерял своего 
значения до наших дней и может быть рекомендовано современным хозяйственным 
руководителям и политическим деятелям (речь идет об управлении производством). 
Несомненно, в те далекие времена научные данные о природе творческой деятельности, творческих решений были настолько скудны, что они не могли дать людям правильного объяснения этим процессам. Не находя правильного ответа на вопросы, люди объясняли их мистически. Так, древние греки и другие народы 
античного мира объясняли как силы природы, так и творческие способности их божественным происхождением. При таком объяснении основным орудием управления 
процессом принятия решения в неопределенных обстоятельствах или процессами 
творчества были молитвы музам богиням творчества. 
Однако и в те далекие времена люди искали более рациональные пути улучшения процесса принятия решения, особенно для таких случаев, когда было неизвестно, как изменятся обстоятельства. В ту пору предсказаниями будущего славился 
греческий город Дельфы со своим оракулом. 
Вкратце суть этих предсказаний такова. Сначала с обстоятельствами дела досконально знакомились дельфийские жрецы. Затем они наблюдали за прорицательницей (Пифией), одурманенной выходящими из земли газами. Пифия выкрикивала отдельные слова и бессвязные фразы, вызывавшие у жрецов ассоциации, на основе 
которых они предсказывали будущее. Предсказание передавалось заинтересованному 
лицу или обнародовалось только после тщательного его обсуждения на совете. 
Несмотря на многовековую историю изучения процесса решения и его принятия, термин «принятие решения» появился в научной литературе в 30-е годы 
XX столетия в творческих работах по управлению частным производством для характеристики процессов децентрализации управления. 
Современный этап развития науки управления характеризуется интенсивным 
поиском новых идей, подходов, методов и средств, способных повысить эффективность управления сложными социально-экономическими системами в условиях все 
возрастающего динамизма процессов, усложнения связей в системах и все более 
жесткого ограничения ресурсов. Одним из перспективных подходов является рассмотрение проблем управления с позиций принятия решений. Этот подход, связан