Законы развития систем. Закон прогрессивной эволюции техники. Подобные кривые часто называют S - образными
Одной из предпосылок ТРИЗ является то, что существуют объективные законы развития и функционирования систем, опираясь на которые можно строить изобретательские решения. Другими словами, многие технические, производственные, экономические и социальные системы развиваются по одним и тем же правилам и принципам. Г. С. Альтшуллер обнаружил их, изучив патентный фонд и проанализировав пути развития и усовершенствования техники в течение долгого времени. Результаты, опубликованные в книгах ««Линии жизни» технических систем» и «О законах развития технических систем», позже объединенные в работе «Творчество как точная наука», стали базисом для Теории развития технических систем (ТРТС).
В данном уроке мы предлагаем вам познакомиться с этими законами, подкрепленными примерами. В программе обучения ТРИЗ они занимают главное место, поскольку раскрываются и детализируются в правилах их применения, в стандартах, принципах разрешения противоречий, вепольном анализе и АРИЗе.
Терминология и краткое введение
Закон развития технической системы (ЗРТС) - это существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между элементами внутри системы и с внешней средой в процессе прогрессивного развития, перехода системы от одного состояния к другому с целью увеличения ее полезной функциональности.
Г. С. Альтшуллер открытые законы разделил на три раздела «Статику», «Кинематику», «Динамику». Названия эти условны и не имеют прямого отношения к физике. Но можно проследить связь этих групп с моделью «начала жизни-развития-смерти» в соответствии с законом S-образного развития технических систем, который автор предложил для полной картины эволюции процессов в технике. Она изображается логистической кривой, которая показывает меняющиеся со временем темпы развития. Этапов три:
1. «Детство». Конкретно в технике это длительный процесс проектирования системы, ее доработки, изготовления опытного образца, подготовки к серийному выпуску. В глобальном понимании этап связан с законами «Статики» - группой, объединенной критериями жизнеспособности возникающих технических систем (ТС). Говоря простым языком, благодаря этим законам можно дать ответы на два вопроса: Будет ли жить и функционировать создаваемая система? Что нужно сделать для того, чтобы она жила и функционировала?
2. «Расцвет». Этап бурного совершенствования системы, ее становления в качестве мощной и производительной единицы. Он связан со следующей группой законов - «Кинематикой», которая описывает направления развития технических систем вне зависимости от конкретных технических и физических механизмов. В буквальном понимании это означает те изменения, которые должны произойти в системе, чтобы она отвечала возрастающим к ней требованиям.
3. «Старость». С какого-то момента развитие системы замедляется, а позже прекращается вовсе. Это обусловлено законами «Динамики», характеризующими развитие ТС в условиях действия конкретных технических и физических факторов. «Динамика» противоположна «Кинематике» - законы этой группы определяют лишь возможные изменения, которые могут быть совершены в данных условиях. Когда возможности совершенствования исчерпаны, на смену старой системе приходит новая, и весь цикл повторяется.
Законы первых двух групп - «Статики» и «Кинематики» - универсальны по своему характеру. Они действуют в любую эпоху и применимы не только к техническим системам, но и к биологическим, социальным и т. д. «Динамика» же, по словам Альтшуллера, говорит об основных тенденциях функционирования систем именно в наше время.
Как пример действия комплекса этих законов в технике можно вспомнить развитие такой технической системы, как весельный флот. Она прошла становление от маленьких лодок с парой весел до крупных боевых кораблей, где сотни весел располагались в несколько рядов, уступив в результате место парусникам. В социальном и историческом плане примером S-образной системы может служить зарождение, процветание и упадок афинской демократии.
Статика
Законы «Статики» в ТРИЗ определяют начальную стадию функционирования технической системы, начало ее «жизни», определяя необходимые для этого условия. Сама категория «система» говорит нам о целом, составленном из частей. Техническая система, как и любая другая, начинает свою жизнь в результате синтеза отдельных компонентов. Но не всякое такое объединение дает жизнеспособную ТС. Законы группы «Статика» как раз и показывают, какие обязательные условия должны выполняться для успешной работоспособности системы.
Закон 1. Закон полноты частей системы. Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является наличие и минимальная работоспособность основных частей системы.
Основных частей четыре: двигатель, трансмиссия, рабочий орган и орган управления. Для обеспечения жизнеспособности системы нужны не только эти части, но и их пригодность к выполнению функций ТС. Другими словами, эти составляющие должны быть работоспособными не только по отдельности, но и в системе. Классический пример - двигатель внутреннего сгорания, который работает сам по себе, функционирует в такой ТС как легковой автомобиль, но не пригоден для применения в подводной лодке.
Из закона полноты частей системы следует вывод: чтобы система была управляемой, необходимо, чтобы хотя бы одна ее часть была управляемой. Управляемость означает способность менять свойства в зависимости от предполагаемых заданий. Это следствие хорошо иллюстрирует пример из книги Ю. П. Саламатова «Система законов развития техники»: воздушный шар, управлять которым можно с помощью клапана и балласта.
Похожий закон был сформулирован в 1840 г. Ю. фон Либихом и для биологических систем.
Закон 2. Закон «энергетической проводимости» системы. Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является сквозной проход энергии по всем частям системы.
Любая техническая система является преобразователем энергии. Отсюда очевидная необходимость передачи энергии от двигателя через трансмиссию к рабочему органу. Если какая-то часть ТС не будет получать энергии, то и вся система не будет работать. Главным условием эффективности технической системы с точки зрения энергопроводимости является равенство способностей частей системы по принятию и передаче энергии.
Из закона «энергетической проводимости» следует вывод: чтобы часть технической системы была управляемой, необходимо обеспечить энергетическую проводимость между этой частью и органами управления. Этот закон статики также является основой определения 3 правил энергопроводимости системы:
- Если элементы при взаимодействии друг с другом образуют систему, проводящую энергию с полезной функцией, то для повышения ее работоспособности в местах контакта должны быть вещества с близкими или одинаковыми уровнями развития.
- Если элементы системы при взаимодействии образуют энергопроводящую систему с вредной функцией, то для ее разрушения в местах контактирования элементов должны быть вещества с различными или противоположными уровнями развития.
- Если элементы при взаимодействии друг с другом образуют энергопроводящую систему с вредной и полезной функцией, то в местах контактирования элементов должны быть вещества, уровень развития которых и физико-химические свойства изменяются под воздействием какого-либо управляемого вещества или поля.
Закон 3. Закон согласования ритмики частей системы. Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является согласование ритмики (частоты колебаний, периодичности) всех частей системы.
Теоретик ТРИЗ А. В. Тригуб уверен, что для устранения вредных явлений или усиления полезных свойств технической системы, необходимо согласовать или рассогласовать частоты колебаний всех подсистем в технической системе и внешних системах. Попросту говоря, для жизнеспособности системы важно, чтобы отдельные части не только работали вместе, но и не мешали друг другу выполнять полезную функцию.
Этот закон прослеживается на примере истории создания установки для дробления камней в почках. Данный аппарат дробит камни целенаправленным лучом ультразвука, чтобы в дальнейшем они выводились натуральным путем. Но изначально для разрушения камня требовалась большая мощность ультразвука, что поражало не только их, но и окружающие ткани. Решение пришло после того, как была согласована частота ультразвука с частотой колебания камней. Это вызывало резонанс, который и разрушал камни, благодаря чему мощность луча удалось уменьшить.
Кинематика
Группа законов ТРИЗ «Кинематика» имеет дело с уже образованными системами, которые проходят этап своего становления. Условие, как было сказано выше, кроется в том, что эти законы определяют развитие ТС, независимо от конкретных технических и физических факторов, его обусловливающих.
Закон 4. Закон увеличения степени идеальности системы. Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.
В классическом понимании идеальная система - это система, вес, объем, площадь которой стремятся к нулю, хотя ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. Иначе говоря - это когда системы нет, а функция ее сохраняется и выполняется. Все ТС стремятся к идеальности, но идеальных очень мало. Образцом может служить сплав леса плотами, когда корабль для транспортировки не требуется, а функция доставки выполняется.
На практике можно найти множество примеров подтверждения данного закона. Предельный случай идеализации техники заключается в ее уменьшении (вплоть до исчезновения) при одновременном увеличении количества выполняемых ею функций. Например, первые поезда были больше чем сейчас, а пассажиров и грузов перевозили меньше. В дальнейшем габариты уменьшились, усилилась мощность, благодаря чему стала возможной перевозка больших объемов грузов и увеличение пассажиропотока, что привело и к снижению стоимости самой транспортировки.
Закон 5. Закон неравномерности развития частей системы. Развитие частей системы идет неравномерно; чем сложнее система, тем неравномернее развитие ее частей.
Неравномерность развития частей системы является причиной возникновения технических и физических противоречий, и, следовательно, изобретательских задач. Следствием данного закона является то, что рано или поздно изменение одной составляющей ТС спровоцирует цепную реакцию технических решений, которые приведут к изменению и оставшихся частей. Закон находит свое подтверждение в термодинамике. Так, в соответствии с принципом Онсагера: движущая сила любого процесса - это появление неоднородности в системе. Значительно раньше, чем в ТРИЗ, этот закон был описан в биологии: «В ходе прогрессивной эволюции возрастает взаимное приспособление органов, происходит координация изменений частей организма и идет аккумуляция корреляций общего значения».
Отличной иллюстрацией справедливости закона служит развитие автомобильной техники. Первые двигатели обеспечивали относительно небольшую по сегодняшним меркам скорость в 15-20 км/час. Установка двигателей большей мощности увеличила скорость, что со временем стало причиной замены колес на более широкие, изготовления кузова из более прочных материалов и т.д.
Закон 6. Закон опережающего развития рабочего органа. Желательно, чтобы рабочий орган опережал в своем развитии остальные части системы, то есть обладал большей степенью динамизации по веществу, энергии или организации.
Некоторые исследователи выделяют этот закон как отдельный, но многие труды выводят его в комплексе с законом неравномерности развития частей системы. Такой подход нам кажется более органичным, и мы выносим индивидуальный блок для данного закона лишь для большей структурированности и понятности.
Значение этого закона в том, что он указывает на распространенную ошибку, когда с целью увеличения полезности изобретения развивается не рабочий орган, а любой другой, например, управленческий (трансмиссия). Конкретный случай - чтобы создать многофункциональный игровой смартфон, нужно не просто сделать его удобным для держания в руке и оснастить большим дисплеем, а, в первую очередь, позаботиться о мощном процессоре.
Закон 7. Закон динамизации. Жесткие системы для повышения эффективности должны становиться динамичными, то есть переходить к более гибкой, быстро меняющейся структуре и к режиму работы, подстраивающемуся под изменения внешней среды.
Данный закон является универсальным и находит свое отображение во многих сферах. Степенью динамизации - способностью системы приспосабливаться к внешней среде - обладают не только технические системы. Когда-то такую адаптацию прошли биологические виды, вышедшие из воды на сушу. Изменяются и социальные системы: все больше компаний практикуют вместо офисной работы удаленную, а многие работники отдают предпочтение фрилансу.
Примеров из техники, подтверждающих данный закон, также множество. Свой облик за пару десятилетий поменяли мобильные телефоны. Причем изменения были не только количественными (уменьшение в размерах), но и качественными (увеличение функиональности, вплоть до перехода в надсистему - планшетофоны). Первые бритвенные станки «Gilette» имели неподвижную головку, которая позже стала более удобной движущейся. Еще один пример: в 30-е гг. в СССР выпускались быстрые танки БТ-5, которые по бездорожью двигались на гусеницах, а выехав на дорогу, сбрасывали их и шли на колесах.
Закон 8. Закон перехода в надсистему. Развитие системы, достигшей своего предела, может быть продолжено на уровне надсистемы.
Когда динамизация системы невозможна, другими словами, когда ТС полностью исчерпала свои возможности и дальнейших путей ее развития нет, система переходит в надсистему (НС). В ней она работает в качестве одной из частей; при этом дальнейшее развитие идет уже на уровне надсистемы. Переход происходит не всегда и ТС может оказаться мертвой, как, например, произошло с каменными орудиями труда первых людей. Система может не переходить в НС, а оставаться в состоянии, когда не может быть существенно усовершенствована, но сохранять жизнеспособность в силу необходимости этого людям. Примером такой технической системы служит велосипед.
Вариантом перехода системы в надсистему может быть создание би- и полисистем. Его еще называют законом перехода «моно - би - поли». Такие системы более надежны и функциональны, благодаря приобретаемым в результате синтеза качествам. После прохождения этапов би- и поли- наступает свертывание - либо ликвидация системы (каменный топор), поскольку она свое уже отслужила, либо переход ее в надсистему. Классический пример проявления: карандаш (моносистема) - карандаш с ластиком на конце (бисистема) - разноцветные карандаши (полисистема) - карандаш с циркулем или ручка (свертывание). Или бритва: с одним лезвием - с двумя - с тремя и более - бритва с вибрацией.
Этот закон является не только общим законом развития систем, схемой, по которой развивается все, но и законом природы, ведь симбиоз живых организмов с целью выживания известен с незапамятных времен. Как подтверждение: лишайники (симбиоз гриба и водорослей), членистоногие (рак-отшельник и актинии), люди (бактерии в желудке).
Динамика
«Динамика» объединяет законы развития ТС характерные для нашего времени и определяет возможные изменения в них в научно-технических условиях современности.
Закон 9. Закон перехода с макроуровня на микроуровень. Развитие рабочих органов системы идет сначала на макро-, а затем на микроуровне.
Суть заключается в том, что любая ТС для развития своего полезного функционала стремится перейти с макроуровня на микроуровень. Другими словами, в системах соблюдается тенденция перехода функции рабочего органа от колес, шестерней, валов и т. д. к молекулам, атомам, ионам, которые легко управляются полями. Это одна из главных тенденций развития всех современных технических систем.
Понятия «макроуровень» и «микроуровень» являются в данном отношении скорее условными и призваны показать уровни мышления человека, где первый уровень - что-то физически соизмеримое, а второй - понимаемое. В жизни любой ТС наступает момент, когда дальнейшее экстенсивное (увеличение полезной функции за счет изменений на макроуровне) развитие невозможно. Дальше систему можно развивать только интенсивно, за счет повышения организованности все более низких системных уровней вещества.
В технике переход между макро- и микроуровнями хорошо демонстрирует эволюция строительного материала - кирпича. Сначала это была просто организация формы глины для удобства. Но однажды человек забыл кирпич на пару часов на солнце, а когда вспомнил о нем - тот затвердел, что сделало его более надежным и практичным. Но со временем было замечено, что такой материал плохо держит тепло. Было совершено новое изобретение - теперь в кирпиче оставляли большое количество воздушных капилляров - микропустот, что существенно понизило его теплопроводность.
Закон 10. Закон повышения степени вепольности. Развитие технических систем идет в направлении увеличения степени вепольности.
Г. С. Альтшуллер писал: «Смысл этого закона заключается в том, что невепольные системы стремятся стать вепольными, а в вепольных системах развитие идет в направлении перехода от механических полей к электромагнитным; увеличения степени дисперсности веществ, числа связей между элементами и отзывчивости системы».
Веполь - (вещество+поле) - модель взаимодействия в минимальной технической системе. Это понятие абстрактное, применяемое в ТРИЗ для описания некоторого вида отношений. Под вепольностью стоит понимать управляемость. Дословно закон описывает вепольность как последовательность изменения структуры и элементов веполей с целью получения более управляемых технических систем, т.е. систем более идеальных. При этом в процессе изменения необходимо осуществлять согласование веществ, полей и структуры. Примером может служить диффузионная сварка и лазер для резки различных материалов.
В заключение отметим, что здесь собраны лишь описанные в литературе законы, в то время как теоретики ТРИЗ говорят о существовании и других, открыть и сформулировать которые еще предстоит.
Проверьте свои знания
Если вы хотите проверить свои знания по теме данного урока, можете пройти небольшой тест, состоящий из нескольких вопросов. В каждом вопросе правильным может быть только 1 вариант. После выбора вами одного из вариантов, система автоматически переходит к следующему вопросу. На получаемые вами баллы влияет правильность ваших ответов и затраченное на прохождение время. Обратите внимание, что вопросы каждый раз разные, а варианты перемешиваются.
GEN3 Partners
Февраль 2003
1. ВВЕДЕНИЕ
1.1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.2 АКТУАЛЬНОСТЬ
2. ОБЩАЯ СТРУКТУРА ЗРТС
2.1 ПОНЯТИЕ ЗРТС
2.2 ПОНЯТИЕ МЕХАНИЗМА ЗРТС
2.4 СТРУКТУРА ЗРТС
3. TREND OF S-CURVE EVOLUTION
3.2.1 Первый этап
3.2.2 Переходный этап
3.2.3 Второй этап
3.2.4 Третий этап
3.2.5 Четвертый этап
3.3 СВЯЗЬ С ЗАКОНОМ НЕРАВНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ЧАСТЕЙ ТС
3.3.1 Характеристика связи между двумя законами
3.4 ПРИМЕНЕНИЕ S-CURVE ANALYSIS ДЛЯ ОСОБЫХ ТИПОВ ПРОЕКТОВ
3.4.1 Применение S-curve analysis для прогнозных проектов
3.4.2 Применение S-curve analysis для Feasibility Study
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
5. ЭВОЛЮЦИОННЫЙ АНАЛИЗ
5.1 ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАКОНОВ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
5.1.1 Закон повышения идеальности
5.1.2 Закон повышения свернутости
5.1.3 Закон перехода в надсистему
5.1.4 Закон повышения эффективности использования потоков вещества, энергии и информации
5.1.5 Закон повышения согласованности
5.1.6 Закон повышения управляемости
5.1.7 Закон повышения динамичности ТС
5.1.8 Закон повышения полноты ТС
5.1.9 Закон вытеснения человека из ТС
5.2 ПОРЯДОК ПРИМЕНЕНИЯ ЗРТС
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
1. ВВЕДЕНИЕ
1.1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.2 АКТУАЛЬНОСТЬ
Создателем и разработчиком базового списка ЗРТС является Генрих Альтшуллер (Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука. - М.: «Советское радио», 1979). В дальнейшем развитии и углублении ЗРТС в той или иной степени принимало участие большое количество специалистов по ТРИЗ, поэтому оценить вклад каждого и даже упомянуть всех не представляется возможным. Однако наибольшую роль в разработке именно данной версии, как нам кажется, сыграли Б.Злотин, А.Зусман и В.Герасимов. Очень полезными оказались обсуждения с И.Петием. Отдельно следует отметить вклад И.Гриднева - именно он предложил перейти от Закона минимальной энергопроводимости к Закону повышения проводимости, который в итоге превратился в Закон повышения эффективности использования потоков.
В настоящее время благодаря усилиям многих разработчиков ЗРТС превратились в высокоэффективный инструмент анализа. Однако не существует единого общепризнанного документа, детально описывающего все Законы и методику их применения, как они видятся на сегодняшний день. Это приводит к разночтениям как в понимании самих Законов, так и их роли и месте в общем процессе анализа. Эти разночтения, усугубляемые отсутствием зафиксированной пошаговой методики применения, снижают эффективность использования Законов в проектах. Поэтому разработка подобного документа, содержащего развернутые характеристики ЗРТС и иллюстрированную примерами методику их применения, является весьма актуальной задачей.
2. ОБЩАЯ СТРУКТУРА ЗРТС
2.1 ПОНЯТИЕ ЗРТС
Законы развития технических систем - это комплексы статистически достоверных линий развития, описывающих закономерный последовательный переход систем из одного конкретного состояния в другое и справедливых для всех технических систем или их больших классов.
ЗРТС носят статистический характер, т.е. не обязательны к выполнению. Они являются внешним проявлением своего рода естественного отбора, который идет в мире техники. Действительно, технические системы конкурируют между собой за области применения, как биологические системы - за экологические ниши (есть и другие виды конкуренции - например, военные системы вступают между собой во взаимодействие типа "хищник - жертва").
В конкурентной борьбе побеждают те системы, которые лучше других удовлетворяют требованиям общества. Эти требования, в общем, сводятся к одному: работать как можно лучше, а потреблять ресурсов и производить нежелательных отходов как можно меньше (более подробно об этом будет сказано при описании Закона повышения идеальности). Поскольку самые различные ТС сталкиваются примерно с одними и теми же проблемами, то и методы их решения, в общем, стереотипны. Так вот, ЗРТС как раз и являются хорошо систематизированным списком таких типовых "выигрышных" ходов, благодаря которым системы-победительницы завоевывают и удерживают первенство. Поэтому, хотя следовать этим законам и не обязательно, но очень и очень желательно (если, конечно, не ставить перед собой задачу обеспечить преимущество системам-конкурентам).
Комментарий 1.
Критерий "переход из одного конкретного состояния в другое" требует некоторого пояснения. Представим себе гипотетическую линию развития, описывающую закономерный последовательный переход от "несовершенных" систем ко все более "совершенным". Чем не закон? Все критерии вроде соблюдены - закономерность статистически достоверна и абсолютно универсальна. Наоткрывать подобных "законов" можно сколько угодно - этим в свое время прославился профессор Половинкин. Ему, например, принадлежит честь открытия следующего закона: "идей всегда больше, чем систем".
Проблема с подобными "законами" состоит в том, что они не описывают никаких конкретных переходов. Для сравнения возьмем одну из линий Закона повышения динамичности: переход от монолитной системы к одношарнирной, затем многошарной и гибкой. Что может быть конкретней! Из-за отсутствия конкретности многочисленные псевдо-законы совершенно бесполезны, их невозможно применить на практике. Для отсева подобных "законов" и введен критерий конкретности. Разумеется, само понятие конкретности достаточно размыто - это вопрос соглашения. Он может быть решен только практически: следует выяснить, насколько успешно рекомендуемые законом переходы могут быть применены для совершенствования техники, т.е. степень конкретности описываемых переходов определяется их эвристической силой (и наоборот).
Комментарий 2.
С одной стороны, от ЗРТС требуется всеобщность, т.е. они должны быть справедливыми для всех ТС. Действительно, если и существуют закономерности развития каких-то очень узких классов ТС, например, электроутюгов, то они мало кому интересны (разве что специалистам исключительно по электроутюгам), т.к. не могут быть использованы за пределами своего класса. С другой стороны, имеет смысл принимать во внимание и такие линии развития, которые справедливы хотя и не для всех без исключения ТС, но для некоторых обширных и часто встречающихся их классов - из чисто практических соображений, просто потому, что такие ТС встречаются достаточно часто. Например, Закон оптимизации потоков справедлив только для систем, в которых потоки веществ, полей и информации присутствуют и играют существенную роль. Да, существуют системы, в котрых потоков нет совсем или их роль пренебрежимо мала (к ним, например, относятся так называемые статические системы - стол, вешалка для одежды, всякого рода корпуса и прочие "держалки"), а потому Закон оптимизации потоков к ним практически неприменим. Но и систем с потоками так много, что игнорировать этот Закон смысла не имеет.
Естественной границы между "узким" и "широким" классом систем не существует - это опять-таки вопрос договоренности. Соответственно, по этому параметру нельзя однозначно судить, относится ли свежевыявленная закономерность к ЗРТС или нет. Например, электронные схемы наверняка имеют свои специфические комплесы линий развития. Являются ли они достаточно широким классом систем, чтобы включать эти комплексы в ЗРТС, или нет? Ответ чисто практический - если в обозримом будущем мы собираемся регулярно и интенсивно заниматься электронными схемами, наверное, в этом есть смысл.
По крайней мере, в данной работе рассматриваются только Законы, имеющие ОЧЕНЬ широкую область применения.
2.2 ПОНЯТИЕ МЕХАНИЗМА ЗРТС
Механизм ЗРТС - это конкретная линия развития, реализующая данный закон. Законы и их основные механизмы будут подробно описаны в дальнейшем, поэтому здесь примеры не приводятся.
Следует отметить, что сами законы могут являться механизмами других законов. Таким образом, все законы вместе образуют иерархическую систему (см. Рисунок 1).
2.3 ПОНЯТИЕ АНАЛИТИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА (МЕТОДИКИ ПРИМЕНЕНИЯ ЗРТС)
Аналитический инструмент - это алгоритмизированная методика применения закона, выделенная в самостоятельный шаг анализа. На Рисунок 1 эти методики указаны в скобках рядом с названиями соответствующих законов.
Следует отметить, что аналитические инструменты обычно не исчерпывают полностью свои законы. Например, Feature Transfer - это алгоритм выполнения только одного перехода из целого их комплекса, составляющего Закон перехода в надсистему.
2.4 СТРУКТУРА ЗРТС
Структура ЗРТС представлена на Рисунке 1:
Рисунок 1 Структура ЗРТС
2.5 ПОНЯТИЕ ЭВОЛЮЦИОННОГО АНАЛИЗА
Эволюционный анализ, наряду со свертыванием, Feature Transfer и ф-поиском является аналитически-синтетическим инструментом, поскольку в его рамках анализ имеющейся ТС выполняется с целью поиска направлений ее совершенствования. Т.к. за совершенствование объекта следует браться не раньше, чем будут выявлены его ключевые недостатки, вся эта группа методов вынесена на завершающий отрезок аналитического этапа, расположенный после анализа причинно-следственных цепочек и формирования списка ключевых недостатков (см. Рисунок 2).
Эволюционный анализ выполняется по алгоритмизированной методике и в общем случае включает в себя последовательное рассмотрение всех законов. При этом законы, имеющие собственные аналитические инструменты, применяются в той части, которая не покрывается этими инструментами. В ряде случаев можно заведомо не рассматривать некоторые законы или их отдельные линии. Это относится, например, к Закону оптимизации потоков - как уже говорилось, если в анализируемой ТС потоки веществ, полей и информации отсутствуют или играют пренебрежимо малую роль, этот Закон применять не имеет особого смысла. Или, например, если в проекте имеется строгий запрет на смену механического принципа действия, может оказаться разумным исключение из анализа линии, направленной на динамизацию частей объекта на микроуровне.
Совсем не обязательно, что каждый переход по каждой линии каждого закона даст в результате перспективную идею. Поэтому в итоговый вариант отчета следует включать только те шаги, линии и законы, анализ которых принес значимый результат.
2.6 ЦЕЛИ ЭВОЛЮЦИОННОГО АНАЛИЗА
Эволюционный анализ выполняется с целью:
Сформулировать задачи реализации переходов по конкретным линиям развития.
Рисунок 2 Структура анализа
3. TREND OF S-CURVE EVOLUTION
3.1 ФОРМУЛИРОВКА ЗАКОНА; ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Формулировка закона:
Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития изменение главных параметров ТС происходит таким образом, что графики временной зависимости этих параметров имеют S-образный вид (Рисунок 3).
Рисунок 3 Trend of S-curve evolution
Имеет смысл сразу указать на одну из типовых ошибок: при попытке локализовать ТС на S-кривой не указывают главные параметры, по которым ведется оценка.
Как видно из Рисунка 1, данный закон расположен на вершине иерархической пирамиды ЗРТС. Раньше считалось, что там должен располагаться Закон повышения идеальности. Но потом выяснилось, что Закон повышения идеальности является "движущей силой", которая вынуждает системы развиваться, а S-curve закон является внешним проявлением этого развития.
Вообще, S-curve закон стоит несколько особняком от других законов. Дело в том, что, в отличие от них, он совершенно не отражает существа происходящих в системах изменений - он лишь демонстрирует их результат, выраженный в изменении главных показателей. Поэтому этот закон не рассматривается в рамках эволюционного анализа, а используется в процедуре Benchmarking"a.
3.2 ХАРАКТЕРИСТИКА, ПРИЧИНЫ И ПРИЗНАКИ ЭТАПОВ РАЗВИТИЯ ТС. ТИПОВЫЕ ВЫВОДЫ.
3.2.1 Первый этап
3.2.1.1.1.1 Характеристика первого этапа
Первый этап развития ТС начинается с момента ее создания и характеризуется очень медленным ростом главных показателей (иногда рост может и вообще прекратиться на какое-то время). Длительность первого этапа может быть самой различной. Например, известно, что противотанковое ружье было создано невероятно быстро - от момента выдачи ТЗ до запуска в серийное производство прошло всего несколько месяцев (Рисунок 4). С другой стороны, топливный элемент (fuel cell) был изобретен еще в 19 веке, а на стадию коммерческого использования вышел только в конце 20-го (Рисунок 5), т.е. "детство" этой ТС длилось почти 100 лет!
Рисунок 4 Противотанковое ружье
Рисунок 5 Топливный элемент
На этом этапе происходит уточнение состава системы, отработка конструкции системы и ее элементов, а также отладка их взаимодействия между собой и с надсистемой.
Пример - разработка новой коробки для пиццы.
Свежую пиццу (Рисунок 6) обычно доставляют потребителю в картонных коробках (Рисунок 7).
Рисунок 6 Пицца
Рисунок 7 Стандартная коробка для пиццы
Обычная коробка не способна долго сохранять тепло. Кроме того, конденсирующаяся на днище влага, интенсивно испаряемая горячей пиццей, смачивает корж, делая его клеклым. В стенках коробки делают отверстия для отвода пара, но интенсивная вентиляция приводит к ускоренному охлаждению, а недостаточная не предотвращает намокание коржа.
Была изобретена новая коробка (Рисунок 8), в которой дно выполнено арочным и снабжено выступами. Воздушные прослойки между пиццей и дном, а также между дном и опорой обеспечивают отличную термоизоляцию, а конденсирующаяся на дне коробки влага не может смачивать корж, приподнятый на выступах.
Рисунок 8 Разработанная коробка для пиццы
Но после того, как была решена основная проблема - обеспечение термо- и гидроизоляции горячей пиццы, возникло множество побочных проблем. Например, выяснилось, что пиццу обычно разрезают прямо в коробке специальным дисковым ножом (Рисунок 9).
Рисунок 9 Разрезание пиццы
Плоское дно обычной коробки легко выдерживает приложенную нагрузку, а арочное дно новой коробки - нет. В итоге решение этой проблемы было найдено: было предложено крышку коробки также сделать выпуклой (Рисунок 10) и использовать ее в качестве подставки для разрезания пиццы (совместной прочности дна и крышки для этого хватает). На поиск решения и его отработку ушло некоторое количество времени, в течение которого термо- и гидроизоляционные свойства коробки нисколько не улучшались.
Рисунок 10 Коробка для пиццы с выпуклой крышкой
Кроме того, была поставлена проблема замка, удерживающего крышку на коробке. Было разработано и опробовано на практике несколько вариантов замка. А в итоге выяснилось, что замок вообще не нужен, т.к. крышка благодаря конусной отбортовке прекрасно удерживается на коробке просто за счет трения. Но силы и время были потрачены, а качество коробки не улучшилось.
Этот пример хорошо иллюстрирует процесс уточнения состава ТС (нужен замок или нет?) и конструкции ее элементов (выпуклая крышка, направляющие канавки для ножа на днище и т.п.), который абсолютно необходим несмотря на то, что главные показатели системы при этом могут изменяться незначительно или не расти совсем.
Главной особенностью первого этапа является тот факт, что система в силу разных причин еще не удовлетворяет требованиям общества, и поэтому практически не используется.
Следует также отметить, что ТС не обязательно должна пройти через все этапы. Нередко бывает, что система так и умирает на стадии разработки, не выйдя за пределы первого этапа. Так случилось с одним из ключевых компонентов программы "Звездных войн" - рентгеновским лазером с атомной накачкой. Расчеты и эксперименты показали, что при существующем уровне техники он не способен, как это планировалось, одновременно поразить множество целей с требуемой точностью. С другой стороны, на новом витке развития техники и технологии система может и ожить. Например, замечательная по красоте заложенной в ней идеи система "лифт в небо" была убита еще на стадии предварительных расчетов, так как выяснилось, что не существует материалов с разрывной прочностью, достаточной для поддержания троса, опущенного с геостационарной орбиты. Однако открытые относительно недавно нанотрубки как раз имеют требуемую прочность. Пока они очень дороги и имеют ничтожную длину, но лиха беда начало... Так что, возможно, эта система еще себя покажет!
3.2.1.1.1.2 Причины первого этапа
· Нехватка ресурсов
За редким исключением, новые ТС создаются в условиях тотального недостатка всех видов ресурсов - материальных, трудовых и интеллектуальных. Действительно, пока система полностью не отработана, не испытана и не прошла проверку на рынке, никто не может гарантировать, что ее ожидает успех, а все затраты окупятся сторицей. Разработка новых технических систем - всегда риск, и для сокращения возможных потерь средства на разработку обычно выделяют весьма экономно. Соответственно, не хватает рук, чтобы параллельно заниматься разными узлами или вариантами, денег на специализированные комплектующие, и просто интеллектуального потенциала немногочисленных ведущих разработчиков, чтобы думать над всеми проблемами одновременно.
Типичное место рождения новой ТС - если уж не сарай, как это было с самолетом братьев Райт (а в похожих условиях рождались и велосипед, и персональный компьютер), то небольшая лаборатория со скромным бюджетом, для которых все сказанное имеет место быть. Соответственно, разработчики вынуждены последовательно переходить от проблемы к проблеме, выискивать компромиссы и обходные пути, брать доступное вместо оптимального и затем долго его приспосабливать, и расплачиваться за все это временем.
В качестве иллюстрации можно использовать ту же коробку для пиццы. Денег было мало, и штатный дизайнер лаборатории Илона Василевская, подключив к делу своего мужа (к счастью, тоже дизайнера), вечерами после работы изготавливала гипсовые формы, выклеивала на них коробки из папье-маше, затем коробки вело при сушке, все приходилось переделывать, и так без конца. Так что первому этапу было от чего затянуться.
· Наличие цепочки "узких мест"
В данном случае под "узкими местами" понимаются особенности системы, независимо снижающие функциональные показатели или повышающие факторы расплаты до неприемлемого для общества уровня. Пока имеется хотя бы одно "узкое место", система видимым образом не развивается, хотя силы и время затрачиваются на устранение остальных "узких мест".
Примером может служить разработка устройства "Аргус", предназначенного для сверхтонкого измельчения стирального порошка (Рисунок 11).
Рисунок 11 Аргус
Довольно долгое время результаты его работы были нестабильны - на одном и том же режиме без всяких видимых причин степень измельчения от испытания к испытанию колебалась в широких пределах. И только спустя какое-то время разработчики выяснили, что проблема крылась в методике измерения. Оказалось, что при остывании смеси частички порошка слипаются друг с другом, искажая результаты замеров. Стоило, в числе прочих хитростей, перед испытанием нагреть металлическую плашку, на которой производились измерения, и стабильность была достигнута.
· Внешние причины
Техника развивается не сама по себе. Ее разрабатывают конкретные люди, живущие в конкретном обществе. И весь комплекс жизненных обстоятельств так или иначе влияет на сроки и успех разработки. К ним, например, относится арест основного разработчика. Для иллюстрации возьмем историю создания динамореактивной пушки (Рисунок 12):
Рисунок 12 Динамореактивная пушка
"В мае 1923 года конструкторы Л.Курчевский и С.Изенбек предложили так называемую динамореактивную пушку (ДРП), в казенной части ствола которой имелось коническое отверстие. Благодаря этому часть пороховых газов вырывалась через дно гильзы и коническое сопло, что уменьшало отдачу до минимума. Динамореактивный принцип сочли перспективным, была создана специальная комиссия для разработки подобных орудий… Первым результатом … стала предложенная Л. Курчевским на испытания летом 1923 года 76-мм ДРП, ствол которой был заимствован от 76-мм пушки образца 1902 года. В конце того же года были проведены испытания одного из образцов ДРП для установки на самолет.
И на этом, увы, все пока прекратилось. В 1924 году Курчевский был арестован по обвинению в растрате государственных средств и сослан на Соловки на 10 лет."
Василий МАЛИКОВ, академик РАРАН. Журнал "Русское оружие", 1997
Другим обстоятельством может служить законодательный запрет на определенные разработки. Например, по недавно принятому в Японии закону любые разработки по клонированию человеческих эмбрионов запрещены под страхом 5-летнего тюремного заключения.
3.2.1.1.1.3 Признаки 1-го этапа
· Главный признак: ТС еще не вышла на рынок или занимает на нем маленькие, строго ограниченные ниши
Игнорирование этого признака приводит к типовой ошибке, когда ТС, находящуюся на стадии испытаний и не представленную на данном секторе рынка, пытаются относить ко 2-му или 3-му этапам на том основании, что на данном участке времени система улучшалась значительно быстрее, чем раньше. Действительно, на стадии лабораторных исследований главные показатели системы могут меняться неравномерно, испытывая всплески и периоды застоя. Но все это время они находятся ниже черты минимально допустимых обществом значений, что закрывает им путь на рынок.
· В состав системы входят элементы, разработанные для других систем
Как уже говорилось, на первом этапе система развивается в услових дефицита ресурсов. В этой ситуации разработчики обычно концентрируют усилия на ядре системы, а в качестве вспомогательных элементов стремятся использовать уже готовые, разработанные для других систем (с минимально необходимой подгонкой). Заимствование может быть как физическим, так и на уровне конструкции. Пример - разработка первого автомобиля (Рисунок 13). Пожалуй, только двигатель разработан специально для него (и то насчет котла особой уверенности нет), а все остальные части явно заимствованы.
Рисунок 13 Первый автомобиль
С одной стороны, такой подход экономит силы и время. С другой стороны, чужеродные элементы обычно плохо приспособлены для выполнения функций в новых условиях, что существенно снижает эффективность новой ТС. Но в общем, это правильный подход - доработка второстепенных элементов без особого ущерба откладывается до тех пор, пока для этого не появится достаточно ресурсов.
· Система часто объединяется с элементами надсистемы. Причем эти элементы почти не изменяются - изменяется и приспосабливается система.
В принципе, этот признак идентичен предыдущему, но на другом системном уровне. Т.к. система еще не способна адекватно выполнять все необходимые функции, часть из них разработчики перекладывают на доступные элементы надсистемы.
Возьмем, например, гиперзвуковой летательный аппарат с прямоточным реактивным двигателем. Прямоточный двигатель на небольших скоростях неэффективен, поэтому такой аппарат пока не может взлететь и разогнаться самостоятельно. Разработчики нашли выход: экспериментальные образцы запускают с обычного реактивного самолета, да еще с реактивным ускорителем, т.е объединили целых три системы (Рисунок 14):
Рисунок 14 Прямоточный воздушно-реактивный двигатель + ракетный ускоритель + B52
Образец в полете показан на Рисунке 15:
Рисунок 15 Самолет с прямоточным реактивным двигателем
· Система стремится объединяться с альтернативными системами, господствующими на рынке.
Данный признак является важным частным случаем предыдущего. Дело в том, что правильно выполненное объединение альтернативных систем приводит к объединению их достоинств и гашению недостатков. Новая система обычно превосходит имеющиеся по некоторому выделенному набору главных показателей, но проигрывает им по всему комплексу требований. Старые же системы, наоборот, прекрасно вписаны в надсистему, но им уже не хватает сил для выхода на новый уровень главных показателей. Поэтому объединение выгодно обеим сторонам - новая система получает ресурсы для развития, а старая продлевает свое доминирующее положение.
Примером может служить история создания реактивного двигателя. На определенном этапе его ставили в качестве ускорителя на винтовые истребители, и только последующий прогресс позволил перейти к чисто реактивным машинам.
· Система стремится потреблять ресурсы из надсистемы, специально для нее не предназначенные. Система приспосабливается к потреблению этих ресурсов.
Действительно, пока система не доказала свою эффективность, никто не будет ее снабжать специально для нее созданными ресурсами. Типовой ход в этом случае - попытаться найти в надсистеме уже готовый доступный ресурс и приспособить систему для его потребления. Правда, ресурс может оказаться не слишком подходящим, но разработку специализированных ресурсов можно отложить до лучших времен. Поскольку сразу трудно определить, какой ресурс следует использовать, бывает необходимо перепробовать несколько разных, порой весьма экзотических. Например, одна из первых моделей двигателя внутреннего сгорания должна была работать на спорах папоротника!
Внешние проявления:
· Высокий уровень базовых патентов. Уровень последующих патентов быстро снижается к началу переходного этапа.
Создание новой системы - дело обычно достаточно сложное, в ее основу необходимо закладывать весьма нетривиальные идеи, что закономерно проявляется в относительно высоком уровне базовых патентов. В дальнейшем патентуются разного рода усовершенствования, не столь радикальные, как первоначальная идея, что приводит к снижению уровня патентов (Рисунок 16).
Рисунок 16 Уровень изобретений (по книге Г.С. Альтшуллера "Творчество как точная наука"? М. Советское радио 1979, стр 115)
Следует отметить, что уровень патентов - вещь в достаточной мере субъективная, поэтому данный признак является сугубо вспомогательным. Сам по себе он ни в коей мере не может служить исчерпывающим доказательством того, что система находится на первом этапе.
А вот для разработчиков новых стандартов (и микро-стандартов) на решение изобретательских задач, приемов разрешения противоречий и других решательных инструментов, этот признак может быть очень полезен. Дело в том, что самые эффективные инструменты могут быть, скорее всего, разработаны на базе самых сильных решений. А как их отобрать среди миллионов патентов? Данный признак дает хороший способ - наиболее сильные решения следует искать в базовых патентах.
С другой стороны, инженеры не так уж часто занимаются созданием новых ТС. Значительно больше времени и сил они тратят на совершенствование существующих. Не факт, что решательные инструменты, наиболее эффективные для создания ТС, столь же хороши для улучшения имеющихся. Кроме того, очень даже возможно, что улучшение систем на каждом из этапов требует специфического набора инструментов. Любопытно было бы собрать несколько коллекций патентов - базовых и этапных, и рассортировать по ним имеющиеся инструменты, а в дальнейшем и разработать новые, специально ориентированные на конкретный этап.
· Количество патентов остается примерно постоянным (Рисунок 17).
Это тоже легко объяснимо. Пока ТС находится в разработке, окончательно неизвестно, какие конструктивные особенности останутся в серийном варианте, а какие окажутся нежизнеспособными. Поэтому патентовать их особого смысла не имеет. Данный признак также является сугубо вспомогательным.
Рисунок 17 Количество изобретений (по книге Г.С. Альтшуллера "Творчество как точная наука"? М. Советское радио 1979, стр 115)
· Затраты превосходят доход (Рисунок 18).
Причины очевидны. ТС находится в разработке, обладает массой недостатков (пока), и поэтому либо совсем не продается, либо продается в ничтожных количествах как некая экзотика. Соответственно, доходы от продажи обычно не покрывают затрат на разработку и доводку.
Рисунок 18 Прибыль (по книге Г.С. Альтшуллера "Творчество как точная наука"? М. Советское радио 1979, стр 115)
· Число модификаций системы и глубина различий между ними сначала нарастают, а затем падают.
Действительно, система обычно создается в какой-то одной, простейшей модификации. Затем в процессе совершенствования появляются разные варианты. Поскольку заранее неизвестно, какое сочетание признаков окажется наиболее удачным, поначалу варианты множатся и ветвятся. Однако со временем ситуация проясняется, малоэффективные комбинации отмирают, и остается всего несколько фаворитов, между которыми к тому же происходит обмен признаками.
Примером может служить история авиации (Рисунок 19). Первые самолеты сильно отличались друг отдруга. Варьировалось все - количество, форма и расположение крыльев, количество и расположение двигателей; тянущие, толкающие и комбинированные схемы пропеллеров, и т.д. Но постепенно выкристаллизовались несколько основных типов, не так уж отличающихся друг от друга.
Рисунок 19 Самолеты
3.2.1.1.1.4 Возможные выводы из того факта, что система находится на первом этапе развития.
· Требуется значительно повысить отношение "функциональные возможности/затраты".
Данный вывод совершенно очевиден и в комментариях не нуждается. ТС на первом этапе еще очень сырая, недоработанная - надо улучшать функционирование и снижать факторы расплаты, причем существенно, иначе на рынок не пробиться.
· Главные усилия должны быть направлены на выявление и устранение "узких мест", препятствующих выходу на рынок.
Этот вывод следует из одной из причин нахождения ТС на первом этапе - наличия множества "узких мест", каждое из которых независимо снижает эффективность системы ниже минимально допустимого уровня. Пока существует хоть одно из них, система неконкурентоспособна. Значит, их нужно выявить и удалить всех до одного. При этом не нужно тратить силы и время на улучшение одного параметра до максимально возможного уровня, пока другой недопустимо низок. Лучше иметь удовлетворительный уровень всех характеристик, чем отличный для одних и никуда не годный для других.
В самом деле, если представить себе гипотетический пассажирский летательный аппарат, у которого два недостатка - неспособность летать и неспособность обеспечить безаварийную посадку, то сколько ни улучшай его способность к дальним/высотным/скоростным полетам, без обеспечения мало-мальски безопасной посадки пассажиров на него не заманишь.
· Допустимы глубокие изменения в составе системы и ее элементов вплоть до смены их принципа действия.
С одной стороны, на первом этапе система еще не накопила "инерции" - нет ни специализированной инфраструктуры, ни традиционных поставщиков, ни массового производства, которые обычно препятствуют сколь-нибудь серьезным изменениям. С другой стороны, совсем не факт, что имеющийся на данный момент состав системы и конструкция ее элементов оптимальны (будь это так, ТС пошла бы на рынок, а не прозябала бы на первом этапе). Следовательно, есть и серьезная причина (масса недостатков и "узких мест"), и возможность (отсутствие "инерции") для коренных изменений в ТС. Можно значительно менять ее состав (смело применяя радикальные варианты свертывания) и конструкцию ее элементов на любую глубину.
· Имеет смысл развивать систему для использования в одной конкретной области, где соотношение ее достоинств и недостатков наиболее приемлемо.
Нередко новая ТС обладает широкими возможностями, позволяющими (в перспективе) использовать ее сразу в нескольких областях. Однако попытка развивать ее сразу в нескольких направлениях ошибочна, т.к. приводит к распылению ресурсов и затягиванию первого этапа. Логичнее поступать наоборот - сконцентрировать усилия на продвижении ТС только в одном направлении. А в дальнейшем, выйдя на рынок, система сможет привлечь ресурсы для проникновения и в остальные отрасли.
При этом сектор рынка для первоначального проникновения следует в первую очередь выбирать исходя из соображений простоты внедрения, даже если этот сектор окажется не самым выгодным из возможных. Простота внедрения определяется, в частности, тем, что избранный сектор рынка должен быть особо заинтересован в возможностях, которые ТС может предоставить к моменту выхода на рынок, и равнодушен к оставшимся на тот момент недостаткам.
Похоже, что подобная стратегия лежит в основе выявленной Борисом Злотиным закономерности, согласно которой новые ТС впервые появляются не на том секторе рынка, на котором в итоге они добиваются максимального успеха. Например, компьютеры впервые вышли на рынок в качестве устройств для вычислений (Рисунок 20). А сейчас они в основном используются для обработки текстовой и графической информации в реальном масштабе времени. И правильно, т.к. уже на заре своей истории ЭВМ умели считать достаточно быстро, а средства ввода-вывода были крайне несовершенны, к работе с текстами и графикой неспособны. А выйдя на рынок в качестве вычислителей, компьютеры получили ресурсы для проникновения в другие области применения.
Рисунок 20 Компьютер
· Следует ориентироваться на существующую инфраструктуру и источники ресурсов.
Очевидно, что ориентация на специально созданную инфраструктуру и ресурсы может сильно затруднить выход ТС на рынок. Препятствием будет служить проблема "курицы и яйца" - системой не пользуются из-за отсутствия необходимых ей инфраструктуры и ресурсов, а инфраструктуру и источники ресурсов не создают из-за отсутствия спроса на них (систему-то не используют!). Поэтому лучше поначалу приспосабливать ТС к имеющимся ресурсам, пусть даже и не очень подходящим. Выйдя с их помощью на рынок, ТС разорвет порочный круг, создаст спрос на специализированные ресурсы и в итоге их получит. Действительно, первые самолеты потребляли автомобильный бензин и использовали для взлета/посадки луга и дороги. Потребуй они сразу специальных аэродромов, диспетчерской службы, радарной сети и авиакеросина для заправки, их путь в небо был бы еще более тернистым. А так, поначалу пользуясь малым, в итоге самолеты все это получили.
· Имеет смысл объединять ТС с лидирующими на данный момент системами.
Как уже говорилось, такое объединение позволяет новой ТС быстро выйти на рынок и получить ресурсы для дальнейшего развития. При этом ее недостатки будут скомпенсированы старой системой, а достоинства повысят конкурентоспособность полученного тандема. На этом пути образуются ТС с дефисом в названии: парусно-паровые, колесно-гусеничные, электро-механические и полу-автоматические. При этом надо отдавать себе отчет, что подобные системы бывают относительно короткоживущими - их новая компонента в результате последующего развития отторгает старую и переходит к автономному существованию.
· Для определения перспективности ТС необходимо наряду с обычным анализом естественных пределов ее развития выполнить прогноз ее надсистемы.
Нужно учесть, что первый этап развития обычно длится несколько лет. Следовательно, ТС в момент выхода на рынок будет взаимодействовать не с сегодняшней надсистемой, а с той, которая сложится к тому времени. Может измениться многое - доступные ресурсы, законодательство и даже потребности общества.
Например, в свое время производство бумаги требовало все больше древесины, что приводило к вырубке лесов. Для спасения леса нужно было найти замену древесине. Ценой значительных затрат времени и сил задачу решили - был создан пластик, почти не отличимый от бумаги. Но, увы и ах, - к этому моменту была разработана и внедрена технология интенсивного выращивания деревьев на плантациях (изощреная агротехника плюс особо быстрорастущие виды деревьев), полностью покрывающая потребности целлюлозно-бумажной промышленности. И созданная с таким трудом пластиковая бумага, действительно очень хорошая, оказалась никому не нужной - все-таки она немного дороже настоящей.
Так что необходим прогноз надсистемы по следующим ее типам: объект главной функции ТС, инфраструктура/источники ресурсов, технология изготовления/материалы, генерируемые ТС вредные факторы.
3.3 Закон расширения множества потребностей-функций
Этот закон имеет отношение к развитию техники в целом отдельной страны или всего мира. В политэкономии уже давно известен закон возвышения потребностей, которые сформулирован на качественном уровне. Формулировка закона основывается на предшествующих работах и относится только к потребностям, реализуемым с помощью ТО:
При наличии необходимого потенциала и социально-экономической целесообразности возникшая новая потребность удовлетворяется с помощью впервые созданных технических средств (объектов); при этом возникает новая функция, которая затем существует как угодно долго, пока ее реализация будет обеспечивать и сохранение и улучшение жизни людей. Число таких качественно и количественно различающихся потребностей-функций, относящихся к техносфере страны или мира, со временем монотонно и ускоренно возрастает по экспоненциальному закону
где – число потребностей-функций до момента t =0: – эмпирический коэффициент;
t – время в годах.
3.4 Закон соответствия между функцией и структурой
Закон между функцией и структурой на протяжении многих веков изучали и обсуждали на философском уровне. При этом отмечали и анализировали многочисленные факты удивительных соответствий между выполненными функциями любого органа живого организма и его структурой (строением, конструкцией, конструктивными признаками). Такие же соответствия отмечались в деталях узлах машин, сооружений и других технических объектов.
Главная суть закона заключается в том, что в правильно спроектированном техническом объектом каждый элемент от сложных узлов до простых деталей и каждый конструктивный признак имеют вполне определенную функцию (назначение) по обеспечению работы технического объекта. И если лишить такой ТО какого-либо элемента или признака, то он либо перестанет работать (выполнять свою функцию), либо ухудшит показатели своей работы. В связи с этим у правильных ТО нет «лишних деталей». Эта главная суть соответствия между функцией и структурой лежит в основе всей познавательной деятельности, связанной с анализом и изучением существующих ТО и всей проектно-конструкторской деятельности по созданию новых ТО.
Каждый элемент ТО или его конструктивный признак имеют хотя бы одну функцию по обеспечению реализации функции ТО, т.е. исключение элемента или признака приводит к ухудшению какого-либо показателя ТО или прекращению выполнения им своей функции. Совокупность всех таких соответствий в ТО представляет собой функциональную структуру в виде ориентированного графа, который отражает системную целостность ТО и соответствие между его функцией и структурой (конструкцией).
Рассмотрим этот закон на примере функционального строения обрабатывающих (технологических) машин.
ТО или соответствующие человеко-машинные системы, предназначены для обработки материального предмета труда, состоят из четырех подсистем (элементов) , реализующих соответственно четыре фундаментальные функции, показанные на рисунке 2
Рисунок 2. Обобщенная функциональная структура обрабатываемых машин: => поток вещества, поток энергии, поток управляющих сигналов и воздействий
Ф1 – технологическая функция – обеспечивает превращение исходного материала (сырья) в конечный продукт ;
Ф2 – энергетическая функция – превращает вещество или извне полученную энергию в конечный вид энергии , необходимы для реализации функции Ф1;
Ф3 – функция управления – осуществляет управляющие воздействия , на подсистемы , в соответствии с заданной программой и полученной информацией , о количестве и качестве выбранного конечного продукта и конечной энергии ;
Ф4 – функция планирования – собирает (получает) информацию о произведенном конечном продукте и определяет потребные качественные и количественные характеристики конечного продукта.
Анализ функций различных ТО позволяет накапливать и формировать базы данных по формализованным описаниям функций элементов ТО и функциональным структурам ТО. Все эти базы данных могут быть эффективно использованы в различных методах поискового проектирования и конструирования, при проведении функционально-стоимостного анализа ТО технологий, построений информационно-поисковых систем для поддержки проектно-конструкторской деятельности.
Вытеснение человека из технических систем
4.1 Закон стадийного развития техники
В техники революционные изменения связаны с передачей техническим средствам широко распространенных функций, выполняемых человеком. Закон стадийного развития техники отражает революционные изменения происходящие в процессе развития как отдельных классов ТО, так и техники в целом. Гипотеза о законе имеет на инженерном уровне следующую формулировку.
ТО с функцией обработки материального предмета труда имеют четыре стадии развития, связанные с последовательной реализацией с помощью технических средств четырех фундаментальных функций и последовательным исключением из технологического процесса соответствующих функций, выполняемых человеком:
на первой стадии ТО реализует только функцию обработки предмета труда (технологическая функция);
на второй стадии, наряду с технологической, ТО реализует еще функцию обеспечения энергией процесса обработки предмета труда (энергетическая функция);
на третий стадии ТО реализует еще функцию управления процессом обработки предмета труда;
на четвертой стадии ТО реализует также и функцию планирования для себя объема и качества продукции, получаемой в результате обработки предмета труда; при этом человек полностью исключается из технологического процесса, кроме более высоких уровней планирования.
Переход к каждой очередной стадии происходит при исчерпании природных возможностей человека в улучшении показателей выполнения соответствующей фундаментальной функции в направлении дальнейшего повышения производительности труда и (или) качества производимой продукции, а также при наличии необходимого научно-технического уровня и социально экономической целесообразности.
В таблице 2 приведены примеры стадийного развития различных ТО, которые дополняют формулировку закона. Рассматриваемый закон имеет определенную связь с закономерностью функционального строения обрабатывающих машин.
Таблица 2. примеры стадийного развития ТО
|
Функция ТО |
ТФ+ЭФ+ФУ+ФП |
|||
|
Размалывание зерна Получение осесеметричных круглых деталей из твердотельных заготовок Транспортирование груза по дороге |
Каменные жернова с ручным приводом Токарный станок с рунным или ножным приводом Тачка или тележка, приводимая в движение человеком |
Каменные жернова с приводом от водяного колеса или паровой машины Токарный станок с приводом от водяного колеса, паровой машины или электродвигателя Телега, приводимая в движение тягловым животным или автомобиль |
Мельница с системой автоматического управления (САУ) Токарный станок с числовым программным управлением (ЧПУ) Автомобиль с САУ |
Мельница с САУ, получающая задания от автоматизированной системы планирования работ (АСПР) Станок с ЧПУ, получающий задания от АСПР Автомобиль с САУ, получающий задания от бортовой АСПР, осуществляющей предварительный сбор информации |
|
Примечание. ТФ – технологическая функция; ЭФ – энергетическая функция; ФУ – функция управления; ФП – функция планирования. |
||||
Закон стадийного развития отражает также развитие мировой техники в целом, что наглядно показано в таблице 3 где обозначение «ТО» указывает на реализацию соответствующей фундаментальной функции техническими средствами.
Таблица 3. Стадии развития техники
Следует отметить, что предписываемая законом картина последовательного четырех стадийного развития ТО имеет место только для классов ТО, появившихся до XVIII века. Уже в XIX веке, когда техника в целом находилась на второй стадии развития, вновь появившиеся ТО одновременно реализовали технологическую и энергетическую функции, поскольку для этого существовал необходимы научно-технический уровень и это следовало из требований социально-экономических целесообразности. Аналогично картину мы наблюдаем в настоящее время, когда вновь появляющеюся пионерные ТО для реализации новых потребностей часто реализует сразу три фундаментальные функции (технологическую, энергетическую, управления).
4.2 Роботизация и законы робототехники
В данной работе мы рассмотрим законы роботостроения и робототехники лишь обзорно и не будем углубляется во все существующие проблемы данной индустрии.
В настоящее время автоматизация достигла такого уровня, при котором ТО выполняют не только функции по обработке материальных предметов, но и начинают выполнять обслуживанию и планированию. Человекоподобные роботы уже выполняют функции секретарей и гидов. Робототехника уже выделена в отдельную отрасль. Сегодня человечество практически вплотную подошло к тому моменту, когда роботы будут везде и всюду. Латентная, почти незаметная в быту эволюция роботов вот-вот выльется в самую настоящую революцию роботов . Или даже Великую Революцию Автоматизированной Экономики .
Законы робототехники еще только разрабатываются. Сейчас многие ученые стараются выработать законы развития роботов и законы взаимодействия человека с роботом. Эти законы могут сыграть важную роль в будущем.
Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинён вред (A robot may not injure a human being or, through inaction, allow a human being to come to harm)
Робот должен повиноваться всем приказам, которые дает человек, кроме тех случаев, когда эти приказы противоречат Первому Закону (A robot must obey orders given to it by human beings, except where such orders would conflict with the First Law)
Робот должен заботиться о своей безопасности в той мере, в которой это не противоречит Первому и Второму Законам (A robot must protect its own existence as long as such protection does not conflict with the First or Second Law).
Значительно позже, в 1986 году, Азимов дополнил этот свод законов ещё одним, нулевым правилом:
Робот не может нанести вред человечеству или своим бездействием допустить, чтобы человечеству был причинён вред (A robot may not harm humanity, or, by inaction, allow humanity to come to harm)
Согласно статистической информации, собранной учёными проекта PHRIENDS (Physical Human-Robot Interation: DepENDability and Safety, то есть, Физическое взаимодействие людей и роботов: Надёжность и Безопасность), сегодняшние «гражданские» роботы в большинстве случаев безопасны лишь когда изолированы от доступа человека или когда передвигаются достаточно медленно. То есть, ни о каком соблюдении требований Первого (и Нулевого) Законов Робототехники пока и речи быть не может.
Сейчас ведутся активные разработки по обеспечению безопасности. В частности, сейчас учёные занимаются работой над прототипом исполнительного механизма под названием Variable Stiffness Actuator (VSA) с мехатронным (электронно-мехиническим) дизайном, позволяющим создавать лёгкие и менее «жёсткие» конечности роботов. Возможно, чем-то подобным будут оснащаться эти самые «робоняньки для престарелых», но на первое время подобные манипуляторы будут очень даже к месту на обычном производстве, где роботы и люди по-прежнему вынуждены трудиться «плечом к плечу». Уж если кто и сможет сказать что-то дельное при разработке будущих мировых стандартов безопасности роботостроения, то без мнения этих учёных точно не обойтись.
Также в роботостроении существует закономерность согласно которой, роботы с каждым поколением приобретают все больше человеческих черт и признаков . Это связано с тем что человеку психологический проще находиться рядом с объектом, который обладает сходством с человеком, кроме того не за горами когда роботы начнут выполнять роль нянек для младенцев и пожилых людей, такие разработки уже активно ведутся.
Однако препятствием к очеловечиванию роботов препятствует феномен так называемой «долины жути». В 1970 году пионер японской робототехники Масахиро Мори описал явление, названное им «Букими но тани» – «Долина жути» (сейчас распространен англоязычный термин, Uncanny Valley). Доктор Мори предположил, что человекообразные роботы будут симпатичны нам до лишь определенного предела. Когда внешний вид и поведение таких механизмов достигнут почти полной реалистичности, человек станет испытывать к ним резкую неприязнь. Но как только будет достигнут полный реализм, наше восприятие снова сменится на положительное или нейтральное. Объясняется это тем, что мы склонны испытывать симпатию к неодушевленным предметам, обнаруживающим сходство с человеком; обратная же ситуация, когда объект выглядит почти как человек, но демонстрирует явные признаки неодушевленного предмета, вызывает негативную реакцию, замешательство и страх. В 1978 году Мори объявил о подтверждении своей гипотезы, проведя ряд экспериментов при поддержке Токийского института технологий. Испытуемые добровольцы действительно охотнее проникались расположением к негуманоидным роботам, в то время как человекообразные автоматы чаще вызывали у них неприязнь.
Рисунок 3 Восприятие человека человекоподобных объектов
Таким образом, перед разработчиками роботов стоит еще очень большое количество проблем, поскольку многие законы и закономерности еще в роботостроение не установлены человеком еще или имеют не подтвержденный характер.
5. Прогнозирование развития технических систем
Если говорить, в общем, то прогнозирование развития техники в целом является очень сложной задачей, поскольку существующие законы техники не могут сказать каким будет уровень научно-технического развития через несколько лет. Так же тот же закон прогрессивной эволюции техники может установить как близко подошел тот или иной ТО к переходу на новый уровень. Прогнозирование с помощью S функции позволяет установить, насколько недоиспользованы возможности применяемого принципа действия Если эти возможности имеют значительные резервы, то на основе прогнозирования можно сформулировать задание на улучшение интересующих главный показателей. Если же прогноз покажет, что возможности принципа действия практически исчерпаны, то будет сделан обоснованный вывод о необходимости перехода на новый принцип действия. Но закон прогрессивной эволюции не может ответить каким будет новый принцип действия и когда именно произойдет переход.
Сейчас активно ведутся разработки по использованию законов развития биологии и переносе «патентов» природы для решения изобретательских задач.
Первым в 1964 г. высказал эту идею Г. Альтшуллер: «Как известно, бионика изучает животных с целью примене ния найденных принципов и приемов работы их органов к решению инженерно-технических задач. Однако современные животные – слишком сложные прообразы для современной техники. Это нередко затрудняет изучение «живых моделей», тормозит (а порой делает невозможным) создание технических аналогов. Между тем часто целесообразно брать в качестве прообразов вымерших ныне животных, изучаемых палеонтологией, так как они проще устроены. Другое преимущество такого подхода состоит в том, что во много раз расширяется круг прообразов, ибо современные животные – лишь незначительная часть фауны, существовавшей в течение всей истории Земли» .
Многие природные механизмы и «конструкции» сейчас применяются в авиа- и машиностроении, в робототехники, медицине.
Применительно к конкретному ТО можно проводить анализ на основе закона соответствия между функцией и структурой.
Этот анализ сводиться к следующему.
Оценка функциональной ценности каждого элемента (узла или детали в машине, машины или станка в технологическом комплексе) с точки зрения его исключения и передачи его функций другому элементу.
Выделение комплекса функций в целях их реализации одним автономным техническим средством
Оценка целесообразности изменения потоковой функциональной системы и выбора более рациональной последовательности функциональных элементов.
Оценка целесообразности разделения функций элементов, выполняющих две и более функции.
Проверка полноты функциональной системы в соответствии с закономерностью функционального строения данного класса ТО. Оценка целесообразности введения новых функциональных элементов.
Выделение функций, выполняемых человеком, и оценка возможности и целесообразности их выполнениями техническими средствами
Оценка возможности использования функциональной системы ТО, выполняющих близкие и аналогичные функции и имеющих опережающие темпы развития по сравнению с разрабатываемым классом ТО.
Практическое использование закона стадийного развития связано с проведением исследований по его привязки к интересующему классу ТО, а также к функционально близкому классу ТО, имеющих опережающие темпы развития. При выполнении этих исследований даются ответы на следующие вопросы:
На какой стадии развития находиться рассматриваемый ТО или технологический комплекс?
Ограничивает ли возможности человека существенное улучшение основных показателей ТО?
Имеются ли необходимые научно-технические и технологические возможности для перехода на следующую стадию?
Имеется ли социально-экономическая целесообразность перехода на следующую стадию?
На основе такого анализа делается вывод о целесообразности перехода на следующую стадию и формируется соответствующее задание на научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки.
И так на основе имеющихся законов можно анализировать существующие конкретные технические объекты, устанавливать их уровень развития и прогнозировать их дальнейшее развитие. Но прогнозировать развитие техники в целом очень затруднительно и такой прогноз будет условным и неточным. В настоящее время еще не сложилась единая система законов развития техники и любых других систем. Будущим исследователям законов развития систем предстоит серьезно исследовать все имеющиеся материалы. Прежде всего, нужно исследовать самые древние системы. К ним в первую очередь относятся биологические системы. Может быть, следует даже исследовать еще более древние системы образования звезд, планет и космической системы и галактики. Должны быть исследованы различные виды культур, языки, религии, музыка, литература, искусства и т.д. Не менее интересно исследовать стремительно развивающиеся сегодня системы высоких технологий. Здесь тоже имеются свои закономерности. Особенно это касается микроэлектроники, компьютеров и программирования. В них наверняка имеются те закономерности, которые еще не выявлены.
Литература
1. Половкин А.И. Законы строения и развития техники. 3-е издание, переработанное и дополненное. Волгоград 1985 г.
2. Половкин А.И. Основы инженерного творчества. 2-е издание, переработанное и дополненное – М. Машиностроение, 1988. -368 с., ил.
3. Чешев В.В. О предмете и основных понятиях технических наук (гносеологический анализ). Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата философских наук. Томск, 1968. с. 8 и 12.
4. Мелещенко Ю.С. Техника и закономерности ее развития. – Л.: Лениздат, 1970, 248 с
5. Альтшуллер Г.С. Как научиться изобретать. – Тамбов: Кн. изд., 1961,
6. Альтшуллер Г.С. О законах развития технических систем. – Баку, 20.01.1977.
7. Золотин. Б.Л., Зусман А.В. Законы развития и прогнозирования технических систем. Кишенев, Прогресс, 1989 г.
8. Петров В.М. Закономерности развития технических систем. – Методология и методы технического творчества. – Тезисы докладов и сообщений к научно-практической конференции 30 июня – 2 июля 1984 г. – Новосибирск, 1984 г.
Систем Основные факторы развития личностиДоклад >> Психология
... развития и -включения индивида в систему ... закон : онтогенез (онто – один, генезис – развитие ) повторяет филогенез (фило – много, генезис – развитие ), т.е. развитие ... (индивидуальном развитии ) основных этапов... главе, с развитием технического базиса производства...
1. Закон увеличения степени идеальности системы
Техническая система в своём развитии приближается к идеальности. Достигнув идеала, система должна исчезнуть, а её функция продолжать выполняться.
Основные пути приближения к идеалу:
1) повышение количества выполняемых функций,
2) «свертывание» в рабочий орган,
3) переход в надсистему.
При приближении к идеалу техническая система вначале борется с силами природы, затем приспосабливается к ним и, наконец, использует их для своих целей.
Закон увеличения идеальности наиболее эффективно применяется к тому элементу, который непосредственно расположен в зоне возникновения конфликта или сам порождает нежелательные явления. При этом повышение степени идеальности, как правило, осуществляется применением незадействованных ранее ресурсов (веществ, полей), имеющихся в зоне возникновения задачи. Чем дальше от зоны возникновения конфликта будут взяты ресурсы, тем в меньшей степени удастся продвинуться к идеалу.
2. Закон S-образного развития технических систем
Эволюцию множества систем можно изобразить логистической кривой, показывающей, как меняются во времени темпы её развития. Выделяются три характерных этапа:
· «детство». Идёт, как правило, достаточно долго. В этот момент идёт проектирование системы, её доработка, изготовление опытного образца, подготовка к серийному выпуску.
· «расцвет». Она бурно совершенствуется, становится всё более мощной и производительной. Машина выпускается серийно, её качество улучшается и спрос на неё растёт.
· «старость». С какого-то момента улучшать систему становится всё труднее. Мало помогают даже крупные увеличения ассигнований. Несмотря на усилия конструкторов, развитие системы не поспевает за всё возрастающими потребностями человека. Она пробуксовывает, топчется на месте, меняет свои внешние очертания, но остаётся такой, какая есть, со всеми своими недостатками. Все ресурсы окончательно выбраны. Если попытаться в этот момент искусственно увеличивать количественные показатели системы или развивать её габариты, оставляя прежний принцип, то сама система вступает в конфликт с окружающей средой и человеком. Она начинает больше приносить вреда, чем пользы.
3. Закон динамизации
Надёжность, стабильность и постоянство системы в динамичном окружении зависят от её способности изменяться. Развитие, а значит и жизнеспособность системы, определяется главным показателем: степенью динамизации, то есть способностью быть подвижной, гибкой, приспосабливаемой к внешней среде, меняющей не только свою геометрическую форму, но и форму движения своих частей, в первую очередь рабочего органа. Чем выше степень динамизации, тем, в общем случае, шире диапазон условий, при которых система сохраняет свою функцию. Например, чтобы заставить крыло самолёта эффективно работать в существенно разных режимах полёта (взлёт, крейсерский полёт, полёт на предельной скорости, посадка), его динамизируют путём добавления закрылков, предкрылков, интерцепторов, системы изменения стреловидности и проч.
Однако, для подсистем закон динамизации может нарушаться - иногда выгоднее искусственно уменьшить степень динамизации подсистемы, тем самым упростив её, а меньшую стойкость/приспособляемость компенсировать созданием стабильной искусственной среды вокруг неё, защищённой от внешних факторов. Но в итоге совокупная система (надсистема) всё же получает большую степень динамизации. Например, вместо того, чтобы приспосабливать трансмиссию к загрязнению путём её динамизации (самоочистка, самосмазка, перебалансировка), можно поместить её в герметичный кожух, внутри которого создана среда, наиболее благоприятная для движущихся частей (прецизионные подшипники, масляный туман, подогрев и проч.)
4. Закон полноты частей системы
Любая техническая система, самостоятельно выполняющая какую-либо функцию, имеет четыре основные части - двигатель, трансмиссию, рабочий орган и средство управления. Если в системе отсутствует какая-либо из этих частей, то её функцию выполняет человек или окружающая среда.
Двигатель - элемент технической системы, являющийся преобразователем энергии, необходимой для выполнения требуемой функции. Источник энергии может находиться либо в системе (например, бензин в баке для двигателя внутреннего сгорания автомобиля), либо в надсистеме (электроэнергия из внешней сети для электродвигателя станка).
Трансмиссия - элемент, передающий энергию от двигателя к рабочему органу с преобразованием её качественных характеристик (параметров).
Рабочий орган - элемент, передающий энергию на обрабатываемый объект, и завершающий выполнение требуемой функции.
Средство управления - элемент, регулирующий поток энергии к частям технической системы и согласующий их работу во времени и пространстве.
Анализируя любую автономно работающую систему, будь то холодильник, часы, телевизор или авторучка, везде можно видеть эти четыре элемента.
5. Закон сквозного прохода энергии
Итак, любая работающая система состоит из четырёх основных частей и любая из этих частей является потребителем и преобразователем энергии. Но мало преобразовать, надо ещё без потерь передать эту энергию от двигателя к рабочему органу, а от него - на обрабатываемый объект. Это закон сквозного прохода энергии. Нарушение этого закона ведёт к возникновению противоречий внутри технической системы, что в свою очередь порождает изобретательские задачи.
Главным условием эффективности технической системы с точки зрения энергопроводимости является равенство способностей частей системы по принятию и передаче энергии.
Первое правило энергопроводимости системы: если элементы при взаимодействии друг с другом образуют систему проводящую энергию с полезной функцией, то для повышения её работоспособности в местах контакта должны быть вещества с близкими или одинаковыми уровнями развития.
Второе правило энергопроводимости системы: если элементы системы при взаимодействии образуют энергопроводящую систему с вредной функцией, то для её разрушения в местах контактирования элементов должны быть вещества с различными или противоположными уровнями развития.
Третье правило энергопроводимости системы: если элементы при взаимодействии друг с другом образуют энергопроводящую систему с вредной и полезной функцией, то в местах контактирования элементов должны быть вещества, уровень развития которых и физико-химические свойства изменяются под воздействием какого-либо управляемого вещества или поля.
6. Закон опережающего развития рабочего органа
В технической системе основной элемент - рабочий орган. И чтобы его функция была выполнена нормально, его способности по усвоению и пропусканию энергии должны быть не меньше, чем двигатель и трансмиссия. Иначе он или сломается, или станет неэффективным, переводя значительную часть энергии в бесполезное тепло. Поэтому желательно, чтобы рабочий орган опережал в своём развитии остальные части системы, то есть обладал большей степенью динамизации по веществу, энергии или организации.
Часто изобретатели совершают ошибку, упорно развивая трансмиссию, управление, но не рабочий орган. Такая техника, как правило, не даёт значительного прироста экономического эффекта и существенного повышения КПД.
7. Закон перехода «моно - би - поли»
Первый шаг - переход к бисистемам. Это повышает надежность системы. Кроме того, в бисистеме появляется новое качество, которое не было присуще моносистеме. Переход к полисистемам знаменует собой эволюционный этап развития, при котором приобретение новых качеств происходит только за счет количественных показателей. Расширенные организационные возможности расположения однотипных элементов в пространстве и времени позволяют полнее задействовать их возможности и ресурсы окружающей среды.
Но на каком-то этапе развития в полисистеме начинают появляться сбои. Упряжка из более чем двенадцати лошадей становится неуправляемой, самолет с двадцатью моторами требует многогократного увеличения экипажа и трудноуправляем. Возможности системы исчерпались. А дальше полисистема снова становится моносистемой. Но на качественно новом уровне. При этом новый уровень возникает только при условии повышения динамизации частей системы, в первую очередь рабочего органа.
8. Закон перехода с макро- на микроуровень
Переход с макро- на микроуровень - главная тенденция развития всех современных технических систем.
Для достижения высоких результатов задействуются возможности структуры вещества. Вначале используется кристаллическая решетка, затем ассоциации молекул, единичная молекула, часть молекулы, атом и, наконец, части атома. (37, 38, 39)
— законов, которые определяют начало жизни технических систем.
Любая техническая система возникает в результате синтеза в единое целое отдельных частей. Не всякое объединение частей дает жизнеспособную систему. Существуют по крайней мере три закона, выполнение которых необходимо для того, чтобы система оказалась жизнеспособной.
Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является наличие и минимальная работоспособность основных частей системы.
Каждая техническая система должна включать четыре основные части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и орган управления. Смысл закона 1 заключается в том, что для синтеза технической системы необходимо наличие этих четырех частей и их минимальная пригодность к выполнению функций системы, ибо сама по себе работоспособная часть системы может оказаться неработоспособной в составе той или иной технической системы. Например, двигатель внутреннего сгорания, сам по себе работоспособный, оказывается неработоспособным, если его использовать в качестве подводного двигателя подводной лодки.
Закон 1 можно пояснить так: техническая система жизнеспособна в том случае, если все ее части не имеют «двоек», причем «оценки» ставятся по качеству работы данной части в составе системы. Если хотя бы одна из частей оценена «двойкой», система нежизнеспособна даже при наличии «пятерок» у других частей. Аналогичный закон применительно к биологическим системам был сформулирован Либихом еще в середине прошлого века («закон минимума»).
Из закона 1 вытекает очень важное для практики следствие.
Чтобы техническая система была управляемой, необходимо, чтобы хотя бы одна ее часть была управляемой.
«Быть управляемой» — значит менять свойства так, как это надо тому, кто управляет.
Знание этого следствия позволяет лучше понимать суть многих задач и правильнее оценивать полученные решения. Возьмем, например, задачу 37 (запайка ампул). Дана система из двух неуправляемых частей: ампулы вообще неуправляемы — их характеристики нельзя (невыгодно) менять, а горелки плохо управляемы по условиям задачи. Ясно, что решение задачи будет состоять во введении в систему еще одной части (вепольный анализ сразу подсказывает: это вещество, а не поле, как, например, в задаче 34 об окраске цилиндров). Какое вещество (газ, жидкость, твердое тело) не пустит огонь туда, куда он не должен пройти, и при этом не будет мешать установке ампул? Газ и твердое тело отпадают, остается жидкость, вода. Поставим ампулы в воду так, чтобы над водой поднимались только кончики капилляров (а.с. № 264 619). Система приобретает управляемость: можно менять уровень воды — это обеспечит изменение границы между горячей и холодной зонами. Можно менять температуру воды — это гарантирует устойчивость системы в процессе работы.
Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является сквозной проход энергии по всем частям системы.
Любая техническая система является преобразователем энергии. Отсюда очевидная необходимость передачи энергии от двигателя через трансмиссию к рабочему органу.
Передача энергии от одной части системы к другой может быть вещественной (например, вал, шестерни, рычаги и т.д.), полевой (например, магнитное поле) и вещественно-полевой (например, передача энергии потоком заряженных частиц). Многие изобретательские задачи сводятся к подбору того или иного вида передачи, наиболее эффективного в заданных условиях. Такова задача 53 о нагреве вещества внутри вращающейся центрифуги. Вне центрифуги энергия есть. Имеется и «потребитель», он находится внутри центрифуги. Суть задачи — в создании «энергетического моста». Такого рода «мосты» могут быть однородными и неоднородными. Если вид энергии меняется при переходе от одной части системы к другой — это неоднородный «мост». В изобретательских задачах чаще всего приходится иметь дело именно с такими мостами. Так, в задаче 53 о нагреве вещества в центрифуге выгодно иметь электромагнитную энергию (ее передача не мешает вращению центрифуги), а внутри центрифуги нужна энергия тепловая. Особое значение имеют эффекты и явления, позволяющие управлять энергией на выходе из одной части системы или на входе в другую ее часть. В задаче 53 нагрев может быть обеспечен, если центрифуга находится в магнитном поле, а внутри центрифуги размещен, например, диск из ферромагнетика. Однако по условиям задачи требуется не просто нагревать вещество внутри центрифуги, а поддерживать постоянную температуру около 2500 С. Как бы ни менялся отбор энергии, температура диска должна быть постоянной. Это обеспечивается подачей «избыточного» поля, из которого диск отбирает энергию, достаточную для нагрева до 2500 С, после чего вещество диска «самоотключается» (переход через точку Кюри). При понижении температуры происходит «самовключение» диска.
Важное значение имеет следствие из закона 2..
Чтобы часть технической системы была управляемой, необходимо обеспечить энергетическую проводимость между этой частью и органами управления.
В задачах на измерение и обнаружение можно говорить об информационной проводимости, но она часто сводится к энергетической, только слабой. Примером может служить решение задачи 8 об измерении диаметра шлифовального круга, работающего внутри цилиндра. Решение задачи облегчается, если рассматривать не информационную, а энергетическую проводимость. Тогда для решения задачи нужно прежде всего ответить на два вопроса: в каком виде проще всего подвести энергию к кругу и в каком виде проще всего вывести энергию сквозь стенки круга (или по валу)? Ответ очевиден: в виде электрического тока. Это еще не окончательное решение, но уже сделан шаг к правильному ответу.
Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является согласование ритмики (частоты колебаний, периодичности) всех частей системы.
Примеры к этому закону приведены в гл.1..
Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.
Идеальная техническая система — это система, вес, объем и площадь которой стремятся к нулю, хотя ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. Иначе говоря, идеальная система — это когда системы нет, а функция ее сохраняется и выполняется.
Несмотря на очевидность понятия «идеальная техническая система», существует определенный парадокс: реальные системы становятся все более крупноразмерными и тяжелыми. Увеличиваются размеры и вес самолетов, танкеров, автомобилей и т.д. Парадокс этот объясняется тем, что высвобожденные при совершенствовании системы резервы направляются на увеличение ее размеров и, главное, повышение рабочих параметров. Первые автомобили имели скорость 15–20 км/ч. Если бы эта скорость не увеличивалась, постепенно появились бы автомобили, намного более легкие и компактные с той же прочностью и комфортабельностью. Однако каждое усовершенствование в автомобиле (использование более прочных материалов, повышение к.п.д. двигателя и т.д.) направлялось на увеличение скорости автомобиля и того, что «обслуживает» эту скорость (мощная тормозная система, прочный кузов, усиленная амортизация). Чтобы наглядно увидеть возрастание степени идеальности автомобиля, надо сравнить современный автомобиль со старым рекордным автомобилем, имевшим ту же скорость (на той же дистанции).
Видимый вторичный процесс (рост скорости, мощностей, тоннажа и т.д.) маскирует первичный процесс увеличения степени идеальности технической системы. Но при решении изобретательских задач необходимо ориентироваться именно на увеличение степени идеальности — это надежный критерий для корректировки задачи и оценки полученного ответа.
Развитие частей системы идет неравномерно; чем сложнее система, тем неравномернее развитие ее частей.
Неравномерность развития частей системы является причиной возникновения технических и физических противоречий и, следовательно, изобретательских задач. Например, когда начался быстрый рост тоннажа грузовых судов, мощность двигателей быстро увеличилась, а средства торможения остались без изменения. В результате возникла задача: как тормозить, скажем, танкер водоизмещением 200 тыс. тонн. Задача эта до сих пор не имеет эффективного решения: от начала торможения до полной остановки крупные корабли успевают пройти несколько миль…
Исчерпав возможности развития, система включается в надсистему в качестве одной из частей; при этом дальнейшее развитие идет на уровне надсистемы.
Об этом законе мы уже говорили.
Она включает законы, отражающие развитие современных технических систем под действием конкретных технических и физических факторов. Законы «статики» и «кинематики» универсальны — они справедливы во все времена и не только применительно к техническим системам, но и к любым системам вообще (биологическим и т.д.). «Динамика» отражает главные тенденции развития технических систем именно в наше время.
Развитие рабочих органов системы идет сначала на макро-, а затем на микроуровне.
В большинстве современных технических систем рабочими органами являются «железки», например винты самолета, колеса автомобиля, резцы токарного станка, ковш экскаватора и т.д. Возможно развитие таких рабочих органов в пределах макроуровня: «железки» остаются «железками», но становятся более совершенными. Однако неизбежно наступает момент, когда дальнейшее развитие на макроуровне оказывается невозможным. Система, сохраняя свою функцию, принципиально перестраивается: ее рабочий орган начинает действовать на микроуровне. Вместо «железок» работа осуществляется молекулами, атомами, ионами, электронами и т.д.
Переход с макро- на микроуровень — одна из главных (если не самая главная) тенденций развития современных технических систем. Поэтому при обучении решению изобретательских задач особое внимание приходится обращать на рассмотрение перехода «макро-микро» и физических эффектов, реализующих этот переход.
Развитие технических систем идет в направлении увеличения степени вепольности.
Смысл этого закона заключается в том, что невепольные системы стремятся стать вепольными, а в вепольных системах развитие идет в направлении перехода от механических полей к электромагнитным; увеличения степени дисперсности веществ, числа связей между элементами и отзывчивости системы.
Многочисленные примеры, иллюстрирующие этот закон, уже встречались при решении задач.
