Model Poziomów Gotowości Technologii – definicje, interpretacje, przykłady


Istotnym czynnikiem koniecznym do skutecznej realizacji projektów technicznych jest dokonywanie trafnych ocen w zakresie dojrzałości nowych technologii, perspektyw ich rozwoju oraz związanych z nimi kosztów i ryzyka. Jednolita metryka dla oceny stanu prac nad technologią oraz gotowości technologii do wdrożenia jest kluczowa dla możliwości oceny projektów inwestycyjnych o charakterze badawczo-rozwojowym, w szczególności tych zlecanych do wykonania organizacjom zewnętrznym. Faktycznie, ocena gotowości technologii (ang. technology readiness assessment, TRA) prowadzona jest w celu dostarczenia osobom podejmującym decyzje wiarygodnych i zrozumiałych informacji o stanie prowadzonych prac badawczych lub rozwojowych.

W tym celu zdefiniowano poziomy gotowości technologii (ang. technology readiness levels, TRL), które stanowią model odniesienia i wspólną metrykę, które pozwalają na ocenę stanu prac nad nowymi technologiami. Model TRL ułatwia komunikację w tym zakresie pomiędzy zarządzającymi programem/organizacją, inwestorami, projektantami systemów/produktów i wykonawcami prac badawczych, również wtedy gdy interesariuszami przedsięwzięcia rozwojowego/inwestycyjnego są różne organizacje.

Wyróżnia się 9 poziomów gotowości technologii numerowanych od TRL 1 (najniższy) do TRL 9 (najwyższy). Poziomy gotowości technologii nie są związane z żadną specyficzną dziedziną techniki, ale opisują możliwe etapy/stadia rozwoju potencjalnie różnych technologii, począwszy od zaobserwowania i opisania danego zjawiska lub właściwości aż do jego komercjalizacji i wdrożenia w produktach lub systemach użytkowych. Model TRL bywa różnie interpretowany w kontekście różnych branż i technologii. Dlatego w niniejszym artykule przedstawiono kolejno 9 poziomów gotowości technologii, opierając się na definicjach określonych w regulacjach polskich [1],[2]. Następnie, opierając się na bardziej szczegółowych opisach sposobów wykorzystania modelu TRL w różnych dziedzinach techniki [3]-[7], dokonano próby ich interpretacji i uszczegółowienia.

Dla zrozumienia modelu TRL istotne jest rozróżnienie pojęć: technologii, modelu i prototypu. Niskie poziomy gotowości odnoszą się do procesu opracowywania nowych technologii i osiągania przez nie kolejnych stopni dojrzałości. Pośrednie poziomy dotyczą już kształtowania technologii do wykorzystania ich w potencjalnych aplikacjach, które jednak nie mają w tej fazie formy docelowej, a demonstracje opierają się na modelach programowych i/lub sprzętowych. Najwyższe poziomy dotyczą zastosowania opracowanej technologii w prototypie docelowego produktu/systemu. Ostatni poziom gotowości dotyczy produktów w formie ostatecznej i sprawdzonej w warunkach operacyjnych.

 

Poziom TRL 1 — zaobserwowano i opisano podstawowe zasady danego zjawiska

Definicja: Jest to najniższy poziom gotowości technologii, oznaczający rozpoczęcie badań naukowych w celu wykorzystania ich wyników w przyszłych zastosowaniach w określonych branżach. Zalicza się do nich między innymi badania naukowe nad podstawowymi właściwościami technologii.

Szczegółowe interpretacje [3],[5] wskazują, że TRL 1 to poziom, który dotyczy końcowego etapu „badań podstawowych”, gdy zaczynają one być transformowane w czynności o charakterze „badań przemysłowych”. Oznacza on faktyczny początek rozwoju technologii rozumianej jako sformułowana wiedza, której dojrzałość i gotowość do wykorzystania może zostać zweryfikowana w sposób jednoznaczny (mierzalny).

Przykładem badań na poziomie TRL 1 mogą być studia nad podstawowymi własnościami materiałów, takimi jak zależność wytrzymałości nowego włókna na rozciąganie w funkcji temperatury [5]. Prace tego rodzaju są zazwyczaj realizowane przez ośrodki naukowe lub przez badaczy na wyższych uczelniach.

 

Poziom TRL 2 — określono koncepcję technologii lub jej przyszłe zastosowanie

Definicja: Oznacza to rozpoczęcie procesu poszukiwania potencjalnego zastosowania technologii. Od momentu zaobserwowania podstawowych zasad opisujących nową technologię można postulować praktyczne jej zastosowanie, które jest oparte na przewidywaniach. Nie istnieje jeszcze żaden dowód lub szczegółowa analiza potwierdzająca przyjęte założenia.

Zaawansowanie dojrzałości nowej technologii do poziomu TRL 2 polega na zidentyfikowaniu lub wynalezieniu nowego pomysłu/koncepcji opartego na nowej lub znanej wcześniej zasadzie fizycznej bądź matematycznej. Na tym etapie rozwoju spodziewane aplikacje technologii pozostają zazwyczaj spekulatywne, brakuje właściwych doświadczeń lub dokładnych analiz, które potwierdzałyby przypuszczenia. Istotne pozostaje jednak aby nowa technologia lub koncepcja opisana była na tyle spójnie i szczegółowo, aby każdy badacz zaznajomiony z daną dziedziną techniki mógł ją zrozumieć oraz ocenić jej przydatność.

Aby uzyskać poziom TRL 2 postęp w rozwoju nowej technologii powinien spełnić warunki:

  • opisano możliwe aplikacje rozwijanej technologii,
  • metodami analitycznymi ,w kategoriach ilościowych, oszacowano dla rozważanych zastosowań korzyści z rozwoju nowej technologii.

 

Poziom TRL 3 — potwierdzono analitycznie i eksperymentalnie krytyczne funkcje lub koncepcje technologii (ang. proof of concept)

Definicja: Oznacza to przeprowadzenie badań analitycznych i laboratoryjnych, mających na celu potwierdzenie przewidywań badań naukowych wybranych elementów technologii. Zalicza się do nich komponenty, które nie są jeszcze zintegrowane w całość lub też nie są reprezentatywne dla całej technologii.

W tym etapie rozwoju technologii rozpoczyna się proces badawczo-rozwojowy, który może obejmować zarówno opracowania analityczne w celu opisania technologii w odpowiednim kontekście, jak też badania bądź testy laboratoryjne prowadzone w celu ich zweryfikowania. Prowadzone studia analityczne oraz prace eksperymentalne powinny potwierdzić pomysły/koncepcje sformułowane w ramach etapu TRL 2.

Od rodzaju związanego z przedmiotową technologią zjawiska fizycznego zależeć może, które podejście do jej weryfikacji zostanie uznane za najbardziej odpowiednie. Na przykład, koncepcje wykorzystujące nieskomplikowane zjawiska fizyczne lub chemiczne, nowe algorytmy lub metody obliczeniowe mogą być wiarygodnie weryfikowalne prostymi metodami analitycznymi, takimi jak odpowiednie wyprowadzenia zależności matematycznych. Wynalazki o większej złożoności lub takie, które wykorzystują zjawiska zależne od środowiska lub własności nowych materiałów, mogą wymagać weryfikacji na drodze eksperymentalnej.

Aby uzyskać poziom TRL 3 postęp w rozwoju nowej technologii powinien spełnić warunki:

  • testy laboratoryjne pokazały, że nowa technologia charakteryzuje się parametrami przewidzianymi przez model analityczny,
  • technologia posiada potencjał rozwojowy w kierunku praktycznego zastosowania,
  • modele analityczne zarówno odzwierciedlają obserwowane własności nowej technologii jak również pozwalają przewidzieć zachowanie tej technologii w warunkach testowych,
  • zidentyfikowano lub określono „warunki operacyjne” dla nowej technologii.


Poziom TRL 4 — zweryfikowano komponenty technologii lub podstawowe jej podsystemy w warunkach laboratoryjnych

Definicja: Proces ten oznacza, że podstawowe komponenty technologii zostały zintegrowane. Zalicza się do nich zintegrowane „ad hoc” modele w laboratorium. Uzyskano ogólne odwzorowanie docelowego systemu w warunkach laboratoryjnych.

Po potwierdzeniu na poziomie TRL 3 krytycznych funkcji lub charakterystyk podstawowe składowe nowej technologii muszą następnie zostać zintegrowane w celu sprawdzenia czy elementy składowe mogą funkcjonować wspólnie. Celem jest osiągnięcie poziomu weryfikacji koncepcji i jej parametrów. Sposób jej przeprowadzenia może polegać na połączeniu zbioru komponentów w laboratorium w układ eksperymentalny, w przypadku układów elektronicznych na przykład w formie układu elektronicznego zmontowanego na tzw. płytce uniwersalnej.

Metoda weryfikacji technologii na poziomie TRL 4 powinna zostać zaplanowana w sposób dostosowany do koncepcji sformułowanych w poprzednich etapach oraz być zgodna z wymaganiami stawianymi przez przewidywaną jej aplikację. Równocześnie weryfikacja na tym poziomie pozostaje na względnie niskim poziomie wiarygodności w stosunku do potencjalnej aplikacji. Dodatkowo na poziomie TRL 4 należy scharakteryzować ilościowo przewidywane aplikacje nowej technologii. W wyniku prac powinny zostać  określone: kluczowe elementy składowe nowej technologii, oczekiwane parametry techniczne i sposób ich mierzenia podczas demonstracji laboratoryjnych, przewidywane warunki pracy (operacyjne), wskaźniki finansowe, ścieżki dalszego rozwoju technologii.

Aby uzyskać poziom TRL 4 postęp w rozwoju nowej technologii powinien spełnić warunki:

  • nowa technologia w formie jej komponentów lub układu testowego została przetestowana w warunkach laboratoryjnych,
  • modele analityczne nowej technologii w pełni odpowiadają danym testowym na poziomie TRL 4,
  • modele analityczne opisujące własności nowej technologii w postaci komponentów lub układu testowego, pozwalają przewidzieć jej parametry w „warunkach operacyjnych” oraz w środowisku i warunkach na które nowa technologia zostanie „narażona” podczas badań kwalifikacyjnych.


Poziom TRL 5 — zweryfikowano komponenty lub podstawowe podsystemy technologii w środowisku zbliżonym do rzeczywistego

Definicja: Podstawowe komponenty technologii są zintegrowane z rzeczywistymi elementami wspomagającymi. Technologia może być przetestowana w symulowanych warunkach operacyjnych.

Osiągnięcie przez nową technologię poziomu gotowości TRL 5 wymaga weryfikacji komponentów lub układów testowych w środowisku, które reprezentuje przewidywane warunki operacyjne/użytkowe w zakresie krytycznych właściwości. Oznacza to, że podstawowe komponenty technologii powinny zostać zintegrowane z elementami wspomagającymi o charakterystyce zbliżonej do rzeczywistego środowiska operacyjnego. Demonstracja na tym poziomie może obejmować od jednej do kilku nowych technologii.

W rezultacie, w tym etapie wiarygodność testowanych komponentów lub układów testowych powinna istotnie wzrosnąć w stosunku do ich stanu zademonstrowanego na poziomie TRL 4 lub niższych. Dlatego weryfikacja nowej technologii na poziomie TRL 5 powinna zostać przeprowadzona w kontekście jej specyficznego zastosowania w przyszłym systemie lub urządzeniu oraz wykorzystywać w testach elementy odzwierciedlające pewną konkretną przewidywaną aplikację.

Aby uzyskać poziom TRL 5 postęp w rozwoju nowej technologii powinien spełnić warunki:

  • w pełni określono „środowisko zbliżone do rzeczywistego”,
  • nowa technologia została przetestowana w środowisku zbliżonym do rzeczywistego w zakresie szeregu punktów pracy, które reprezentują pełen zakres punktów pracy podobnych do warunków, w jakich technologia będzie badana podczas testów kwalifikacyjnych,
  • modele analityczne nowej technologii wiernie opisują jej własności i parametry w środowisku zbliżonym do rzeczywistego,
  • oszacowano analitycznie własności i parametry nowej technologii w konfiguracji prototypu systemu operacyjnego.


Poziom TRL 6 — dokonano demonstracji prototypu lub modelu systemu albo podsystemu technologii w warunkach zbliżonych do rzeczywistych

Definicja: Oznacza to, że przebadano reprezentatywny model lub prototyp systemu, który jest znacznie bardziej zaawansowany od badanego na poziomie 5, w warunkach zbliżonych do rzeczywistych. Do badań na tym poziomie zalicza się badania prototypu w warunkach laboratoryjnych odwzorowujących z dużą wiernością warunki rzeczywiste lub w symulowanych warunkach operacyjnych.

Poziom TRL 6 oznacza znaczący postęp w zakresie poziomu integracji i/lub wiarygodności demonstracji nowej technologii, ponieważ reprezentatywny model lub prototyp systemu powinien uzyskać formę daleko przekraczającą zintegrowany ad hoc układ testowy oraz zostać zweryfikowany w warunkach zbliżonych do rzeczywistych warunków operacyjnych (ang. relevant environment). Stosowanie tanich elementów komercyjnych o obniżonej odporności jest nadal możliwe, o ile nie stoi w sprzeczności z rodzajem warunków środowiskowych, w których model będzie testowany. Na tym poziomie demonstracja obejmuje zazwyczaj kilka lub wiele nowych technologii. Tak jak w przypadku każdego z poziomów, uzyskanie przez technologię poziomu gotowości TRL 6 jest potwierdzone przez demonstrację zakończoną powodzeniem.

Równocześnie należy wskazać jakie własności powinny charakteryzować środowisko demonstracyjne, aby warunki eksperymentów były „zbliżone do rzeczywistych”. Rozważmy zatem system, którego docelowe warunki operacyjne stanowi przestrzeń kosmiczna. Należy zauważyć, że chociaż osiągnięcie poziomu TRL 6 przez demonstrator takiego systemu nie wymaga w każdym przypadku lotu kompletnego systemu w przestrzeni kosmicznej, to jeśli jedynym środowiskiem zbliżonym do rzeczywistego jest kosmos, to model/prototyp systemu powinien zostać zademonstrowany w kosmosie. Na przykład, innowacyjne rozwiązanie wysokotemperaturowego radiatora o niskiej masie, oparte na kroplach cieczy i materiałach kompozytowych, mogłoby zostać zademonstrowane na poziomie TRL 6 poprzez umieszczenie zmniejszonego w skali modelu docelowego systemu na palecie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. W tym przypadku na warunki zbliżone do rzeczywistych składają się: mikrograwitacja, próżnia oraz specyficzne warunki termiczne, które determinują sukces lub porażkę eksperymentu, zatem jedyną metodą weryfikacji nowej technologii jest jej przebadanie w przestrzeni kosmicznej [5].

Aby uzyskać poziom TRL 6 postęp w rozwoju nowej technologii powinien spełnić warunki:

  • nowa technologia została zintegrowana w modelu operacyjnym lub prototypie w wykonaniu podobnym do wymaganego dla systemu operacyjnego,
  • model lub prototyp systemu/podsystemu został zweryfikowany w „środowisku zbliżonym do rzeczywistego” w zakresie szeregu punktów pracy, które reprezentują pełen zakres punktów pracy podobnych do warunków, w jakich technologia będzie badana podczas testów kwalifikacyjnych,
  • modele analityczne funkcji i parametrów technicznych modelu lub prototypu systemu/podsystemu zostały zweryfikowane eksperymentalnie w pełnym zakresie punktów pracy i w najtrudniejszym środowisku,
  • główny cel prac w zakresie modelowania i testowania przesunął się z problemu rozumienia funkcji i parametrów technicznych nowej technologii na problem zbadania wpływu rozwiązań konstrukcyjnych technologii oraz wpływu sposobu integracji technologii z systemem (interfejsów) na jej funkcje i parametry w najbardziej stresujących warunkach środowiskowych.


Poziom TRL 7 — dokonano demonstracji prototypu technologii w warunkach operacyjnych (ang. proof of design)

Definicja: Prototyp jest już prawie na poziomie systemu operacyjnego. Poziom ten reprezentuje znaczący postęp w odniesieniu do poziomu 6 i wymaga zademonstrowania, że rozwijana technologia jest możliwa do zastosowania w warunkach operacyjnych. Do badań na tym poziomie zalicza się badania prototypów na tzw. platformach badawczych.

Osiągnięcie poziomu TRL 7 stanowi dla technologii znaczny postęp w zakresie jej dojrzałości, ponieważ wymagana jest demonstracja prototypu systemu w warunkach operacyjnych. W niektórych dziedzinach techniki (np. technologie kosmiczne) wskazuje się, że ze względu na wysokie koszty i podobieństwo do wyników uzyskiwanych na poziomie TRL 8 demonstracja technologii na poziomie TRL 7 jest opcjonalna i w praktyce rzadko wykonywana. Wskazuje się, że demonstracja taka może być konieczna tylko w przypadku gdy w grę wchodzi wysokie ryzyko techniczne lub gdy weryfikowana innowacja ma charakter systemowy krytyczny dla realizowanej misji [5],[6].

Jeśli demonstracja na poziomie TRL 7 jest wymagana, prototyp odzwierciedlać musi projektowany system a sama demonstracja powinna mieć miejsce w docelowym środowisku operacyjnym. Wiodącą przyczyną osiągnięcia tego poziomu powinno być uwiarygodnienie przeprowadzonego procesu inżynierii systemowej oraz zarządzania procesem rozwojowym bardziej niż ocenę samego procesu rozwoju technologii. Dlatego demonstracja powinna dotyczyć prototypu docelowego urządzenia bądź systemu. Przypadkiem, w której demonstracja na poziomie TRL 7 jest wymagana, jest sytuacja w której konsekwencje niedostatecznego zweryfikowania nowej technologii dla całego programu mogłyby być zbyt istotne dla kolejnego etapu rozwoju systemu. Innym przykładem może być nowa technologia lub koncepcja na tyle niezwykła lub nierozpoznana, że nie może zostać zaakceptowana przez organizację lub społeczność badaczy bez demonstracji na poziomie całego systemu.


Poziom TRL 8 — zakończono badania i demonstrację ostatecznej formy technologii (ang. proof of manufacturing)

Definicja: Oznacza to, że potwierdzono, że docelowy poziom technologii został osiągnięty i technologia może być zastosowana w przewidywanych dla niej warunkach. Praktycznie poziom ten reprezentuje koniec demonstracji. Przykłady obejmują badania i ocenę systemów w celu potwierdzenia spełnienia założeń projektowych, włączając w to założenia odnoszące się do zabezpieczenia logistycznego i szkolenia.

Demonstracja nowej technologii na poziomie TRL 8 jest konieczna przed jej zastosowaniem w rzeczywistym (operacyjnym) systemie oraz stanowi faktyczne zakończenie procesu rozwojowego nowego systemu. Poziom TRL 8 obejmuje również przypadki w których nowa technologia zostaje wytworzona i zintegrowana w użytkowanym wcześniej systemie zamiast rozwijania nowego systemu. Podobnie poziom ten obejmuje etap rozwoju, testowania i umieszczenia w użytkowanym systemie (na przykład pojeździe kosmicznym na orbicie) nowego oprogramowania wprowadzającego nowe algorytmy sterujące [5].


Poziom TRL 9 — sprawdzenie technologii w warunkach rzeczywistych odniosło zamierzony efekt

Definicja: Wskazuje to, że demonstrowana technologia jest już w ostatecznej formie i może zostać zaimplementowana w docelowym systemie. Między innymi dotyczy to wykorzystania opracowanych systemów w warunkach rzeczywistych.

TRL 9 oznacza poziom dojrzałości osiągnięty przez nowy system, włączając w to wszystkie technologie składowe, w którym został on wdrożony i jest z powodzeniem użytkowany w warunkach docelowych. Poziom ten wymaga aby system był użytkowany w środowisku pierwotnie przewidywanym i charakteryzować się parametrami spełniającymi wymagania stawiane systemowi w warunkach operacyjnych. Zasadnicze rozróżnienie pomiędzy poziomami TRL 8 a 9 dotyczy końcowego etapu uruchomienia pracy systemu i jego użytkowania.


Podsumowanie

Model TRL został wprowadzony przez NASA [6] do prac badawczych i rozwojowych w dziedzinie technologii i systemów lotniczych oraz kosmicznych, czyli systemów charakteryzujących się wysokimi wymaganiami w zakresie niezawodności i odporności na ekstremalnie trudne warunki operacyjne. Został on następnie przyjęty jako model odniesienia przez Departament Obrony USA w procesie pozyskiwania uzbrojenia i sprzętu wojskowego [3],[4] oraz przez organizacje międzynarodowe takie jak NATO, Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) i Europejska Agencja Obrony (EDA).

Dotychczasowe definicje ustawowe w prawie polskim w tym zakresie są związane z dziedziną obronności [1],[2]. Również powyższe omówienie modelu TRL oparte zostało na podobnych założeniach i pozostaje w pełni adekwatne dla systemów lotniczych, kosmicznych oraz uzbrojenia i sprzętu wojskowego.

(MS, TR, 2013)

Literatura

[1] Decyzja Nr 425/MON Ministra Obrony Narodowej z dnia 20 września 2007 r. w sprawie Głównych Celów i Kierunków Polityki Naukowej i Naukowo-Technicznej resortu obrony narodowej, (Dz.U. MON z 2007 r., Nr 18, poz. 191)
[2]
Rozporządzenie Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego z dnia 4 stycznia 2011 r. w sprawie sposobu zarządzania przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju realizacją badań naukowych lub prac rozwojowych na rzecz obronności i bezpieczeństwa państwa, (Dz. U. z 2011 r. Nr 18, poz. 91)

[3]
Defense Acquisition Guidebook, US Department of Defense, 2012, http://at.dod.mil/docs/DefenseAcquisitionGuidebook.pdf

[4]
Technology Readiness Assessment (TRA) Deskbook, US Department of Defense, 2009, https://www.directives.doe.gov/

[5]
Technology Readiness Levels Handbook for Space Applications, European Space Agency, Sep. 2008

[6]
Technology Readiness Levels for the New Millenium Program, IEEE Aerospace Conference, vol. 1-4118, pp. 1-10
, 2003

[7]
Detailed Definitions and Guidance for Application of Technology Readiness Levels, Journal of Aircraft, vol. 39, no. 1, pp. 190-192, 2002

[8] 
Model TRL poziomów gotowości technologii. Definicje i zastosowanie (1),
Problemy Jakości, tom XLVI, nr 12, grudzień 2014, str. 15-22