Автоматизация

Автоматизация подразумевает применение различного оборудования и систем управления, таких как машины, промышленные процессы на предприятиях, котлы^[3], печи термообработки, переключение телефонных сетей, рулевое управление и стабилизация кораблей, самолётов и других объектов с минимальным участием человека^[4]. Примеры варьируются от бытового термостата, управляющего котлом, до масштабных индустриальных систем с десятками тысяч контрольно-измерительных и управляющих сигналов. Автоматизация применяется и в банковской сфере; по сложности может варьироваться от простого двоичного включения/выключения до алгоритмов многопараметрического регулирования.

В простейшем контуре автоматического управления контроллер сравнивает измеренное значение процесса с требуемым и на основе разницы (ошибки) воздействует на систему так, чтобы поддерживать её в заданном состоянии несмотря на возмущения. Такой замкнутый контур управления реализует принцип отрицательной обратной связи. Математические основы теории автоматического управления заложены ещё в XVIII веке и получили быстрое развитие в XX столетии. Термин автоматизация (от ранее употреблявшегося автоматический, происходящего от автоматон) стал широко известен лишь после 1947 года, когда на предприятии компании Ford был создан отдел автоматизации^[5]. В этот же период промышленность активно внедряла системы автоматического регулирования, а технологические прорывы 1930-х годов кардинально изменили различные отрасли промышленности.

Всемирный банк в Докладе о мировом развитии за 2019 год отмечает, что новые отрасли и рабочие места в сфере технологий компенсируют экономические последствия потери рабочих мест вследствие автоматизации^[6]. Тем не менее, массовые потери рабочих мест и понижение статуса, вызванные автоматизацией, считаются одной из причин роста националистической, протекционистской и популистской политической повестки в США, Великобритании, Франции и ряде других стран в 2010-х годах^[7].^{[8][9][10][11]}

С античных времён задача точного отсчёта времени занимала умы греков и арабов (в период примерно с 300 года до н. э. по 1200 год н. э.). В Птолемеевском Египте около 270 года до н. э. Ктесибий описал поплавковый регулятор для водяных часов — механизм, схожий по принципу с шаровым клапаном современного унитаза. Это был один из первых устройств с обратной связью^[12]. Появление механических часов в XIV веке сделало водяные часы с их обратной связью устаревшими.

Персидские братья Банумусы в своей «Книге изобретательных устройств» (850 год н. э.) описали ряд автоматических регуляторов уровней жидкости, а также системы с обратной связью^[13]. Конструирование систем обратной связи вплоть до промышленной революции проходило опытным путём и интуитивно; лишь в XIX веке стабильность систем была подвергнута математическому анализу.

Центробежный регулятор был изобретён Кристианом Гюйгенсом в XVII веке и применялся для регулировки зазора между жерновами зернодробилки^[14][15][16].

Появление движителей с самодействующим приводом — водяных мельниц, паровых котлов, и паровых машин — потребовало создания автоматических систем управления, в том числе температурных и давлениерегуляторов (например, регулировка температуры изобретена Корнелиусом Дреббелем в 1624, регулятор давления в 1681, поплавковый — в 1700, устройства регулирования скорости). Один из первых автоматических ткацких станов был создан Жаком де Вокансоном в 1745 году, а в 1800 году Жозеф Мари Жаккар внедрил перфокарточную систему программирования станков.

Ричард Аркрайт в 1771 году изобрёл первую полностью автоматизированную прядильную фабрику, а первая полностью автоматизированная технологическая производственная линия была реализована Оливером Эвансом в 1785 году^[17][18].

Центробежный регулятор был применён к паровому двигателю Уатта в 1788 году, что позволило поддерживать практически постоянную скорость вращения и заниматься автоматическим регулированием. Однако несовершенство первых регуляторов приводило к осцилляциям и погрешностям. Основополагающие научные работы — например, статья Джеймса Клерка Максвелла — положили начало формализации теории управления.

С развитием электрификации производства в начале XX века в промышленности получили распространение релейные схемы управления, центральные диспетчерские и системы контроля процессов^[19]. Электронные усилители и системы связи повлияли на формирование современной теории управления. В 1940–1950-х годах немецкий математик Ирмгард Флюгге-Лоц разработала теорию прерывистого автоматического регулирования, широко применявшуюся в военной технике.

В 1959 году на заводе Texaco в Порт-Артуре впервые были применены системы цифрового управления, а с 1970-х годов — с удешевлением компьютерной техники — цифровое управление стало массовым.

Первые автоматические телефонные коммутаторы были внедрены в 1892 году, к 1929 году 32% сети Bell работали автоматически^[20]. Развитие электроприводов по секциям, применение автоматических машин для выдува бутылок, автоматизация производства бумаги, стали, возникновение специализированных промышленных роботов и цифрового управления (ЧПУ) — все это стало технической базой массовой автоматизации в промышленности, энергетике, транспорте, пищевой индустрии, сборке и многих других отраслях.

С появлением эры освоения космоса управление переместилось от частотных методов к методам, основанным на решении дифференциальных уравнений. С 1960-х годов активно развивались направления цифрового контроля, фильтрации, оптимального управления, что, в итоге, привело к широкому внедрению персональных компьютеров и микрокомпьютерных управляющих систем.

Наиболее часто упоминаемое преимущество автоматизации — рост производительности и снижение затрат на труд^[21]. Машины способны выполнять опасную, трудоёмкую или монотонную работу, часто превосходя человека по точности и надежности. Они эффективны в экстремальных условиях (радиация, токсичная среда, высокая температура). Однако не все процессы на данный момент могут быть автоматизированы, и зачастую затраты на внедрение автоматизации высоки, а некачественное обслуживание может привести к большим потерям.

К основным преимуществам автоматизации относятся:

• Рост производительности (сквозной или на отдельной операции)
• Повышение качества и точности продукции
• Повышение предсказуемости и устойчивости процессов
• Снижение вариаций цикла и прямых затрат на человека
• Освобождение человека от монотонной и опасной работы^[22].
• Расширение свободы человека для других задач

Автоматизация тесно связана с механизацией, расширяющей физические возможности человека (размер, сила, скорость), а также снижением травматизма^[23] и избавлением от вредных или опасных условий (например, работа на ядерных объектах, в космосе, под водой).

К основным недостаткам автоматизации обычно относят:

• Высокая начальная стоимость внедрения
• Риск автоматического множения ошибок при сбоях системы
• Масштабные катастрофы при авариях сложных технических комплексов
• Ограничения гибкости при непредвиденных ситуациях, плохо учтённые разработчиками
• Социальные последствия для работников, чьи профессии устаревают

Чем выше эффективность автоматизированной системы, тем критичнее роль человека в ситуации сбоя: несмотря на сокращение участия оператора, к его вмешательству предъявляются особо высокие требования^[24]. Примером катастрофы, обусловленной ошибками автоматизации и неподготовленностью человека, стал рейс Air France 447^[25].

• Современные технологии неспособны автоматизировать все целевые задачи
• Капиталоёмкие и масштабные автоматизированные производства крайне чувствительны к ошибкам, что требует присутствия персонала для контроля и обеспечения безопасности^[26].
• Эффект убывающей отдачи: дальнейшая автоматизация приносит уменьшающийся прирост качества либо экономии
• Для многих задач с обработкой образов, речью, сложной сенсорикой предпочтительнее или дешевле участие человека; так развивается направление цифрового управления трудом (algorithmic management)^[27]

Обострение опасений по поводу автоматизации связано с возможной потерей рабочих мест^[28][29]. Степень тревожности коррелирует с развитостью профсоюзов и социальной политикой государства^[30]. Согласно некоторым оценкам, в США до 47% профессий потенциально подлежат полной автоматизации к 2033 году^[31]. Ожидается, что прежде всего будут автоматизированы рутинные профессии с чёткими алгоритмами, однако под угрозу постепенно попадают и так называемые высококвалифицированные (юристы, врачи, журналисты и др.)^[32].

О фундаментальных последствиях для рынка труда, поляризации доходов и о долгосрочных экономических результатах автоматизации ведутся дискуссии^[33].