Закономерности развития технических систем. "свертывание" в рабочий орган. Проиллюстрируем этот закон

ЛЕКЦИЯч.)

Философия техники

1. Природа техники. Философия техники. Этапы развития технического знания.

2. Специфика технического знания.

3. Закономерности развития технических систем.

I. Природа техники. Философия техники. Этапы развития технического знания.

Техника (греч. “технэ” - искусство, мастерство, умение). Понятие «техника» встречается уже у Платона, Аристотеля. В первом приближении, техника – есть совокупность средств человеческой деятельности, создаваемых для осуществления процессов производства и обслуживания непроизводственных потребностей общества. Но в это понятие входят не только технические устройства.

Техника понимается следующим образом:

устройств , артефактов - от отдельных простейших орудий до сложнейших технических систем;

Как совокупность различных видов технической деятельности по созданию этих устройств - от научно-технического исследования и проектирования до их изготовления на производстве и эксплуатации, от разработки отдельных элементов технических систем до системного исследования и проектирования;

Как совокупность технических знаний - от специализированных рецептурно-технических до теоретических научно-технических и системотехнических знаний.

В сфере техники важно не столько производство научно-технических знаний, сколько их применение и получение дальнейших знаний на основе нового опыта, для развития техники. Поскольку применение знаний в технике – есть высшая ступень познания, то здесь важнейшее значение приобретает умение исследовать и изобретать .

Впервые словосочетание «философия техники» возникло в XIX веке (немецкий философ Эрнст Капп. Книга "Основные направления философии техники. К истории возникновения культуры с новой точки зрения", вышла в свет в 1877 г.). Однако только в ХХ веке техника, ее развитие, ее место в обществе и значение для будущего человеческой цивилизации - становится предметом систематического изучения. Собственно технические дисциплины концентрируют свое внимание на отдельных видах техники или на отдельных сторонах техники. Технику в целом, как глобальное явление, они не исследуют.

Только философия техники , во-первых, исследует феномен техники в целом, во-вторых, не только ее внутреннее развитие, но и место в общественном развитии в целом, а также, в-третьих, принимает во внимание широкую историческую перспективу.

Этапы развития технических знаний:

- донаучный : последовательно формируются три типа технических знаний: практико-методические, технологические и конструктивно-технические, но научные знания в технической практике используются нерегулярно

- зарождение технических наук (со второй половины XVIII в. до 70-х гг. XIX в.): происходит, во-первых, формирование научно-технических знаний на основе использования в инженерной практике знаний естественных наук и, во-вторых, появление первых технических наук.

- классический (до середины XIX века): характеризуется построением ряда фундаментальных технических теорий.

- современный : характерно осуществление комплексных исследований, интеграция технических наук не только с естественными, но и с общественными науками, и вместе с тем происходит процесс дальнейшей дифференциации и "отпочкования" технических наук от естественных и общественных.

Технические науки прошли следующие этапы развития:

В качестве приложения различных областей естествознания к определенным классам инженерных задач

Как особый класс научных дисциплин, отличающихся от естественных наук как по объекту, так и по внутренней структуре, но также обладающих дисциплинарной организацией (к сер. ХХ в.).

В качестве системотехники как попытки комплексного теоретического обобщения всех отраслей современной техники и технических наук при ориентации не только на естественнонаучное, но и гуманитарное образование инженеров, т. е. при ориентации на системную картину мира (по наст. время).

Системотехника представляет собой особую деятельность по созданию сложных технических систем и в этом смысле является прежде всего современным видом инженерной, технической деятельности, но в то же время включает в себя особую научную деятельность , поскольку является не только сферой приложения научных знаний. В ней происходит также и выработка новых знаний. Таким образом, в системотехнике научное знание проходит полный цикл функционирования - от его получения до использования в инженерной практике.

Две основные системотехнические задачи:

Обеспечения интеграции частей сложной системы в единое целое

Управления процессом создания этой системы.

Инженер-системотехник должен сочетать в себе талант ученого, конструктора и менеджера, уметь объединять специалистов различного профиля для совместной работы.

Для грамотного инженера важно не только изучать свой объект, но знать историю техники. История техники, понимается не только как история отдельных технических средств, но и как история технических решений, проектов и технических теорий (как успешных, так и нереализованных, казавшихся в свое время тупиковыми). Понимание закономернотей развития техники может стать действительной основой для предвидения ее развития. Поэтому философия и история науки и техники должны занять одно из важных мест в современном инженерном образовании.

В современной инженерной деятельности можно выделить три основных направления , требующих различной подготовки соответствующих специалистов.

Во-первых, это - инженеры-производственники , которые призваны выполнять функции технолога, организатора производства и инженера по эксплуатации. Такого рода инженеров необходимо готовить с учетом их преимущественной практической ориентации.

Во-вторых, это - инженеры-исследователи-разработчики , которые должны сочетать в себе функции изобретателя и проектировщика, тесно связанные с научно-исследовательской работой в области технической науки. Они становятся основным звеном в процессе соединения науки с производством. Им требуется основательная научно -техническая подготовка.

Наконец, в-третьих, это - инженеры-системотехники или, как их часто называют, "системщики широкого профиля", задача которых - организация и управление сложной инженерной деятельностью, комплексное исследование и системное проектирование. Подготовка такого инженера-организатора и универсалиста требует самой широкой системной и методологической направленности и междисциплинарности. Для такого рода инженеров особенно важно междисциплинарное и общегуманитарное образование, в котором ведущую роль могла бы сыграть философия науки и техники.

2. Специфика технического знания.

Поскольку техническое знание ближе всего естественнонаучному, то его специфику легче всего усмотреть на основе их сравнения. Техника большую часть своей истории была мало связана с наукой, люди могли делать, и делали устройства не понимая, почему они так работают. В то же время естествознание до XIX века решало в основном свои собственные задачи, хотя часто отталкивались от техники. Инженеры, провозглашая ориентацию на науку, в своей практической деятельности руководствовались ею незначительно. После многих веков такой «автономии» наука и техника соединяются в XVIII веке в начале научной революции. Однако лишь к XIX в. это единство приносит первые плоды; в XX в. наука стала главным источником новых видов техники и технологий.

Выделяются следующие подходы к рассмотрению соотношения науки и техники:

(1) техника рассматривается как прикладная наука – линейная модель (до сер. ХХ в.);

(2) процессы развития науки и техники рассматриваются как автономные, но скоординированные процессы (эволюционная модель);

(3) наука развивалась, ориентируясь на развитие технических аппаратов и инструментов (техника «ведет» науку);

Наиболее взвешенный подход: до конца XIX в. регулярного применения научных знаний в технической практике не было, но оно характерно для современных технических наук. В настоящее время происходит "сциентизация техники" и "технизация науки".

Сегодня все большее число философов техники придерживаются точки зрения, что технические и естественные науки должны рассматриваться как равноправные научные дисциплины. Каждая техническая наука - это отдельная и относительно автономная дисциплина, обладающая рядом особенностей. Технические науки - часть науки и, хотя они не должны далеко отрываться от технической практики, но не совпадают с ней.

В целом складывается следующая классификация наук : гуманитарные, естественные, математические, технические.

Технические науки так или иначе связаны со всеми, но наиболее близки естественным, и в первую очередь, физическим. Технические и естественные науки имеют одну и ту же предметную область инструментально измеримых явлений. Хотя они могут исследовать одни и те же объекты, но проводят исследование этих объектов различным образом. Сравним разные точки зрения на соотношение технических и естественных наук:

1.Технические науки тесно связаны с естественными и могут рассматриваться в качестве прикладных по отношению к последним. Тогда выделяется следующая последовательность исследований: теоретические (фундаментальные) – прикладные – исследования-разработки (переводящие результаты прикладных наук в форму технологических процессов и конструкций). Технические знания могут тяготеть как в сторону теоретических знаний, так и в сторону разработок ().

2. Техническое знание существенно отличается от естественнонаучного, так как оно всегда связано с «целевой направленностью» технических объектов: технический объект является не естественным, а искусственным , созданным для определенной цели, его строение и функционирование служит этой цели (;) . Задача различных разделов естествознания (физика, химия, биология) – получить информацию о свойствах, причинных связей, структурных образований и законах движения материальных объектов. Структура же технических устройств и их функции должны быть известны до их реализации в виде материальных объектов. Рост технических знаний заключается в расширении конструктивных возможностей человека, техническое творчество в отличие от научного состоит не в открытии того, что существует, а в конструировании того, чего еще не было

3. В современных условиях технические явления в экспериментальном оборудовании естественных наук играют решающую роль, а большинство физических экспериментов является искусственно созданными ситуациями. Объекты технических наук представляют собой своеобразный синтез "естественного" и "искусственного". Искусственность объектов технических наук заключается в том, что они являются продуктами сознательной целенаправленной человеческой деятельности. Их естественность обнаруживается прежде всего в том, что все искусственные объекты в конечном итоге создаются из естественного (природного) материала. С этой точки зрения естественнонаучные эксперименты являются артефактами, а технические процессы - фактически видоизмененными природными процессами. Осуществление эксперимента - это деятельность по производству технических эффектов и может быть отчасти квалифицирована как инженерная, т. е. как конструирование машин, как попытка создать искусственные процессы и состояния, однако с целью получения новых научных знаний о природе или подтверждения научных законов, а не исследования закономерностей функционирования и создания самих технических устройств ().

В целом, соединяя разные точки зрения можно констатировать факт, что физический эксперимент часто имеет инженерный характер, а современная инженерная деятельность была в значительной степени видоизменена под влиянием развитого в науке Нового времени мысленного эксперимента. Физические науки открыты для применения в инженерии, а технические устройства могут быть использованы для экспериментов в физике. Характерной особенностью технических знаний является то, что они связаны с процессом интеллектуального конструирования, обслуживают нужды материальной конструктивной деятельности человека, выявляя методы решения конструктивных задач, приемы, процедуры создания технических объектов.

Технические науки к началу ХХ столетия составили сложную иерархическую систему знаний - от весьма систематических наук до собрания правил в инженерных руководствах. Некоторые из них строились непосредственно на естествознании (например, сопротивление материалов и гидравлика) и часто рассматривались в качестве особой отрасли физики, другие (как кинематика механизмов) развивались из непосредственной инженерной практики. И в одном, и в другом случае инженеры заимствовали как теоретические и экспериментальные методы науки, так и многие ценности и институты, связанными с их использованием. К началу ХХ столетия технические науки, выросшие из практики, приняли качество подлинной науки , признаками которой являются:

систематическая организация знаний ,

выделение классов фундаментальных и прикладных исследований .

опора на эксперимент

построение математизированных теорий

Таким образом, естественные и технические науки - равноправные партнеры. Они тесно связаны как в генетическом аспекте, так и в процессах своего функционирования. Именно из естественных наук в технические были транслированы первые исходные теоретические положения, способы представления объектов исследования и проектирования, основные понятия, а также был заимствован самый идеал научности, установка на теоретическую организацию научно-технических знаний, на построение идеальных моделей, математизацию. В то же время нельзя не видеть, что в технических науках все заимствованные из естествознания элементы претерпели существенную трансформацию, в результате чего и возник новый тип организации теоретического знания. Кроме того, технические науки со своей стороны в значительной степени стимулируют развитие естественных наук, оказывая на них обратное воздействие. В настоящее время технические науки тесно связаны не только с естественными, но и с гуманитарными общественными (например, экономикой, социологией, психологией и т. п.).

В технических науках выделяют два вида исследований: прикладные и фундаментальные. Прикладное исследование - это такое исследование, результаты которого адресованы производителям и заказчикам и которое направляется нуждами или желаниями этих клиентов, фундаментальное - адресовано другим членам научного сообщества. В современной технике велика роль как теоретической, так и прикладной компоненты, в союзе с творчеством. Для современной инженерной деятельности требуются не только краткосрочные исследования, направленные на решение специальных задач, но и широкая долговременная программа фундаментальных исследований в лабораториях и институтах, специально предназначенных для развития технических наук. Вполне правомерно сегодня говорить и о фундаментальном промышленном исследовании.

Поэтому наряду с естественнонаучными теориями ныне существует и техническая теория , которая не только объясняет реальность, но и способствует ее созданию, расширению бытия за счет нового технического мира. В сферу технической теории входит: прогнозирование развития техники и связанных с ней наук; научные законы, технические правила и нормы. Но техническая теория отличается от физической тем, что не может использовать идеализацию, в той степени, как это делается в физике. Таким образом, техническая теория имеет дело с более сложной реальностью, поскольку не может не учитывать сложное взаимодействие физических факторов, имеющих место в машине. Техническая теория является менее абстрактной и идеализированной, она более тесно связана с реальным миром инженерии.

Технические теории в свою очередь оказывают большое обратное влияние на физическую науку и даже в определенном смысле на всю физическую картину мира. Например, (по сути, - техническая) теория упругости была генетической основой модели эфира, а гидродинамика - вихревых теорий материи.

Специфика технической теории состоит в том, что она ориентирована на конструирование технических систем. Научные знания и законы, полученные естественнонаучной теорией, требуют еще длительной "доводки" для применения их к решению практических инженерных задач, в чем и состоит одна из функций технической теории.

Теоретические знания в технических науках должны быть обязательно доведены до уровня практических инженерных рекомендаций . Поэтому в технической теории важную роль играет разработка особых операций перенесения теоретических результатов в область инженерной практики, установление четкого соответствия между сферой абстрактных объектов технической теории и конструктивными элементами реальных технических систем, что соответствует фактически теоретическому и эмпирическому уровням знания.

В технической теории выделяют эмпирический и теоретический уровни:

Эмпирический уровень технической теории образуют конструктивно-технические и технологические знания , являющиеся результатом обобщения практического опыта при проектировании, изготовлении, отладке и т. д. технических систем. Это - эвристические методы и приемы, разработанные в самой инженерной практике, но рассмотренные в качестве эмпирического базиса технической теории.

Конструктивно-технические знания преимущественно ориентированы на описание строения (или конструкции) технических систем, представляющих собой совокупность элементов, имеющих определенную форму, свойства и способ соединения. Они включают также знания о технических процессах и параметрах функционирования этих систем. Технологические знания фиксируют методы создания технических систем и принципы их использования.

Теоретический уровень научно-технического знания включает в себя три основные уровня, или слоя, теоретических схем : функциональные, поточные и структурные.

Функциональная схема фиксирует общее представление о технической системе, независимо от способа ее реализации, и является результатом идеализации технической системы на основе принципов определенной технической теории. Функциональные схемы совпадают для целого класса технических систем. Блоки этой схемы фиксируют только те свойства элементов технической системы, ради которых они включены в нее для выполнения общей цели.

Поточная схема, или схема функционирования, описывает естественные процессы, протекающие в технической системе и связывающие ее элементы в единое целое. Блоки таких схем отражают различные действия, выполняемые над естественным процессом элементами технической системы в ходе ее функционирования. Такие схемы строятся исходя из естественнонаучных (например, физических) представлений.

Структурная схема технической системы фиксирует те узловые точки, на которые замыкаются потоки (процессы функционирования). Это могут быть единицы оборудования, детали или даже целые технические комплексы, представляющие собой конструктивные элементы различного уровня, входящие в данную техническую систему, которые могут отличаться по принципу действия, техническому исполнению и ряду других характеристик.

Таким образом современное техническое знание представляет собой сложную систему взаимодействующих элементов теоретического, эмпирического и прикладного уровней, тесно связанную с системами знаний других наук, а также с широкой сферой социального, гуманитарного, обыденного знания.

3. Закономерности развития технических систем.

Мы уже не раз обращались к закономерностям развития тех или иных систем. Технические системы не являются исключением и в их развитии также можно усмотреть определенные устойчивые, повторяющиеся отношения, которые можно рассматривать в качестве закономерных. Развитие технических систем обычно рассматривается с разных точек зрения. Мы выбираем подход, основанный на учете законов диалектики и на обобщении эмпирических данных развития техники.

Cформулируем ряд требований к законам развития технических систем, которые позволяют выявить среди бесчисленного множества разных отношений - действительно существенные, устойчивые, повторяющиеся.

1.Законы развития технических систем должны выражать действительное развитие техники и, следовательно, должны выявляться и подтверждаться на базе достаточно представительного объема патентной и технической информации, глубокого исследования истории развития различных технических систем.

2. Закон развития – отношение, существенное для развития, и, следовательно, он должен быть выявлен и подтвержден на базе изобретений достаточно высокого уровня (не ниже третьего), так как изобретение низших уровней практически не меняют (или мало меняют) исходную систему и не могут служить инструментом развития.

3. Закон развития технических систем образуют систему, для которых надсистема - законы диалектики, поэтому они не должны противоречить последним. "Внутренние" противоречия между выявленными в соответствии с предыдущими требованиями законами (закономерностями) - должны указывать на наличие еще каких-то, пока не ясных закономерностей, "регулирующих" отношение выявленных законов.

4. Законы развития технических систем должны быть инструментальны, то есть помогать находить новые конкретные инструменты решения задач, прогнозирования развития т. п. и обеспечивать получение на их основе конкретных выводов и рекомендаций.

5. Каждый выявленный закон должен допускать возможность его проверки на практике по материалам патентного фонда и при решении практических задач и проблем.

6. Выявленные законы и закономерности должны иметь "открытый" вид, то есть допускать дальнейшее совершенствование по мере развития техники и накопления новых патентных материалов.

Первая система законов развития технических систем, удовлетворяющая приведенным выше требованиям, была разработана в начале семидесятых годов. В настоящее время продолжается работа по выявлению, изучению и уточнению законов развития технических систем, отработка их применения. Сегодня ясно, что знание законов развития технических систем позволяет не только решать имеющиеся задачи, но и прогнозировать появление новых задач, прогнозировать развитие техники гораздо точнее, чем традиционные методы прогнозирования.

Этапы развития технических систем.

В XIX веке были установлены некоторые общие закономерности развития различных биологических систем: рост колоний бактерий, популяции насекомых, вес развивающегося плода и т. п. в зависимости от времени. В двадцатых годах XX столетия было показано, что аналогичные этапы проходят в своем развитии и различные технические системы. Кривые, построенные в осях координат, где по вертикали откладывали численные значения одной из главных эксплуатационных характеристик системы (например, скорость для самолета, мощность для электрогенератора и т. п.), а по горизонтали - "возраст" технической системы или затраты на ее развитие, получили название S-образных (по внешнему виду кривой)

Однако необходимо учитывать, что такая кривая – определенная идеализация.

S- образные кривые являются скорее иллюстрацией качественного развития технических систем.

1 этап - "рождение" и "детство" технической системы.

Новая техническая система появляется на определенном уровне развития науки и техники, когда выполнены два главных условия: есть потребность в системе и имеется возможности ее реализации. Условия эти выполняются, как правило, не одновременно и обычно одно стимулирует появление другого: осознанная обществом потребность направляет усилия ученых и инженеров на ее реализацию, либо уже созданная система открывает новые возможности исполнения.

Обстоятельство рождения новой технической системы определяются уровнем ее новизны .

Наибольшей новизной обладает пионерная система, не имеющая аналогов, созданию которой предшествуют многолетние мечты и чаяния человечества, отраженные в сказках (самолет, телевизор, радио и т. д.), неоднократные научные попытки, связанные с тем, что развитие науки и техники еще не достигло требуемого для ее создания уровня.

2 этап – период интенсивного развития технической системы. Основным содержанием этого этапа является быстрое, лавинообразное, напоминающее цепную реакцию, развитие системы.

Характерной чертой данного этапа развития становится активная экспансия новой системы - она" вытесняет" другие, устаревшие системы из экологических ниш, порождает множество модификаций и разновидностей, приспособленных для разных условий.

Главной движущей силой развития на втором этапе становится общественная потребность, которая проявляется в виде определенного рода претензий к системе.

3 – 4 этапы - "старость" и "смерть" технической системы.

Основным содержанием этапа является стабилизация параметров системы. Небольшой прирост их еще наблюдается в начале этапа, но в дальнейшем сходит на "нет" несмотря на то, что вложения сил и средств растут. Резко увеличивается сложность, наукоемкость системы, даже небольшие увеличения параметров требует, как правило, очень серьезных исследований. Вместе с тем экономичность системы остается еще высокой, потому что даже небольшое усовершенствование, помноженное на массовый выпуск, оказывается эффективным.

Попытки совершенствования системы, не считаясь с затратами, приводят к падению ее эффективности из-за непропорционального достигаемому эффекту роста стоимости и сложности. В конце концов, старая, отжившая система "умирает", заменяется принципиально новой, более прогрессивной, обладающей новыми возможности для дальнейшего развития.

В целом для технических систем выделены 7 закономерностей их развития.

Особенности развития сложных систем.

1. Каждая из подсистем, входящих в систему, рассматриваемых по отдельности, в своем развитии проходит все три этапа, иллюстрируемых S – образной кривой.

В целом для сложной системы S – образная кривая является интегральной, состоящей из пучка отдельных кривых для каждой из подсистем. Развитие системы обычно лимитирует самая "слабая" ее подсистема, ресурсы которой исчерпываются первыми (так, скорость эскадры равна скорости самого тихоходного ее корабля). Исчерпавшая свои ресурсы подсистема становится тормозом для всей системы, и дальнейшее развитие возможно только после замены "загнувшейся" подсистемы.

Пример:

В развитии самолета было несколько таких "загибов". Первый – в двадцатых годах, когда исчерпала возможности развития аэродинамическая концепция самолета – стоечного или подкосного биплана с неубирающимися шасси, открытой кабиной летчика. Новая концепция (моноплан с убирающимся шасси, с закрытой кабиной и винтом регулируемого шага) позволила резко повысить скорость полета, но в сороковых годах достигла нового предела – неэффективности воздушного винта при скорости 700 километров в час. Этот предел был связан с несовершенством конструкции крыла и был преодолен в конце сороковых годов переходом к стреловидному крылу.

2. Вытеснение человека из технической среды.

В процессе развития технической системы происходит поэтапное вытеснение из нее человека, то есть техника постепенно берет на себя функции, ранее выполняющиеся человеком, тем самым приближаясь к полной (без участия человека) системе.

Функция ориентирования деталей при штамповке, которую легко выполнит необученный работник, сложна для робота. С другой стороны, машина может использовать "машинные" преимущества - высокую скорость и точность движения, развивать большие усилия, работать в средах, недоступных для человека. Поэтому вытеснение человека из технической системы очень часто связано с переходом к новым принципам действия, новым технологиям .

3. Увеличение степени идеальности технических систем

Повышение идеальности технических систем проявляется в росте относительных параметров (характеристик), то есть отношение полезных характеристик (мощности, усиления, производительности, точности, надежности и других) к вредным (потери, помехи, количество брака и т. д.) или конструктивным (вес, размеры, трудоемкость изготовления и т. д.).

4. Развертывание – свертывание технических систем

Повышение идеальности технических систем осуществляется путем развертывания – увеличение количества и качества выполняемых функций за счет усложнения системы, и свертывания – упрощения системы при сохранении или росте полезных функций (ср. с диалектическим законом перехода количества в качество).

На всех этапах развития процессы развертывания и свертывания могут чередоваться, приходя на смену друг другу, частично или полностью перекрываться, действуя параллельно, то есть при общем развертывании системы отдельные ее подсистемы могут свертываться и наоборот.

Развитие вычислительной техники: от арифмометров – к гигантским ЭВМ (развертывание) – к современным компактным компьютерам (свертывание).

5. Повышение динамичности и управляемости технических систем.

В процессе развития технической системы происходит повышение ее динамичности и управляемости, то есть способности к целенаправленным изменениям, обеспечивающим улучшение адаптации, приспособление системы к меняющейся, взаимодействующей с ней среде.

В переводе с латыни "динамизм "– богатство движения, насыщенность действием. Повышение динамичности дает системе возможность сохранять высокую степень идеальности при значительных изменениях условий, требований и режимов работы.

Обрабатывающий центр, современная ЭВМ. Переход к системам с изменяющимися элементами.

6. Переход технической системы на микроуровень. Использование полей.

Развитие технических систем идет в направлении все большего использования глубинных уровней строения материи (вещества) - переход на микроуровень и использование различных полей.

Пример: От электронных ламп – к современным интегральным микросхемам

7. Согласование - рассогласование различных систем.

В процессе развития технической системы на первых этапах происходит последовательное согласование системы и ее подсистем между собой и надсистемой, заключающееся в приведении основных параметров к определенным значениям, обеспечивающим наилучшее функционирование. На последующих этапах происходит рассогласование - целенаправленное изменение отдельных параметров, обеспечивающее получение дополнительного полезного эффекта (сверхэффекта) . Конечным этапом в этом цикле развития является динамическое согласование – рассогласование , при котором параметры системы изменяются управляемо (а впоследствии и самоуправляемо) так, чтобы принимать оптимальные значения в зависимости от условий работы.

Согласование проявляется уже на этапе создания системы, когда идет подбор необходимых систем, образующих функциональную цепочку, системообразующих связей.

К подсистемам, помимо требования обеспечения минимальной работоспособности, предъявляется требование совместимости друг с другом, поэтому случается, что подсистема, наилучшим образом выполняющая свою функцию вне системы, оказывается не лучшей для создаваемой системы.

Процесс согласования – рассогласования сопровождается повышением идеальности системы как за счет уменьшения функций расплаты, так и за счет повышения качества полезных функций.

Пример: В согласованную систему электроснабжения вводится элемент рассогласования – «электрический предохранитель», позволяющий вывести подсистему с коротким замыканием из общей цепи.

ОСОБЕННОСТИ СОВМЕСТНОГО ДЕЙСТВИЯ ЗАКОНОВ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Выделения отдельных, изолированных друг от друга законов развития технических систем является, вообще говоря. является грубым упрощением. На самом деле законы действуют в совокупности, обеспечивая эффективное, всестороннее развитие системы. Следствие одного закона, нередко тесно переплетаются со следствием другого, часто речь идет об одной и той же закономерности, рассмотренной с разных сторон.

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Важнейшим направлением работ по совершенствованию техники является прогнозирование ее развития, позволяющее сформулировать цели, рационально определить параметры будущих изделий, спланировать работу по их достижению. Имея достоверный прогноз, предприятие получает возможность обоснованно и эффективно оперировать капиталовложениями , формировать перспективные планы производства, подготовить задания на разработку необходимых материалов, оборудования и т. д., снизив тем самым время технологической подготовки производства и степень риска по освоению новой техники.

Поскольку развитие технических систем осуществляется по объективным законам развития техники, логично использовать выявленные законы для прогнозирования развития. При этом такой прогноз должен дать не только характеристику будущей технической системы, но и указать пути ее развития, за исключением случаев, когда существующий уровень науки и техники не позволяет это сделать из-за отсутствия материалов, технологий энергетических ресурсов, необходимых знаний.

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.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Законы развития технических систем

Содержание

• Введение
• 1. Статика
• 2. Кинематика
• 3. Динамика
• 4. Другие законы
• 4.2 Законы эволюции ТС
• Источники

Введение

Человечество переступило порог третьего тысячелетия. Наше общество связывает свои надежды с ожидаемыми переменами. В этих условиях недопустимо оставаться на позициях формализма и догматизма, которые в инженерной, особенно научной и учебной деятельности, нивелируют способности и оставляют в тени творческую индивидуальность личности.

В качестве проверочного теста (обоснования) выделим три вопроса.

Вопрос 1. Мы все слышали о системном подходе и системотехнике. Что вы знаете об их сущности и возможностях?

Вопрос 2. Окружающий мир условно можно разделить на два: естественный, где господствуют законы природы и искусственный - антропогенный мир созданный человеком, частью которого является мир техники. Законы естественного мира глубоко изучаются в курсах физики, биологии и др. Но знакомы ли Вы с законами и закономерностями развития антропогенного мира, как используете их в своей инженерной, учебной и исследовательской деятельности.

Вопрос 3. Какие методы принятия решений Вам известны? Обучали ли Вас методам принятия решений?

Мы считаем, что специалист, не имеющий основательной методологической подготовки, не может должным образом ориентироваться в непрерывно обновляющемся многообразии мира техники, даже в относительно узкой "своей" специальной области, не говоря уже о межотраслевых задачах. Для полной деятельности совершенно не достаточно иметь даже очень хорошую, но относительно узкую подготовку. Необходимо сформировать свою мировоззренческую позицию, связанную с научным и инженерным творчеством в Вашей области деятельности.

Сегодня без ускорения научно-технического прогресса наше общество не решит своих экономических и социальных проблем. Особое внимание следует уделять анализу проблем на стыке разных наук - естественных, технических и общественных. Поэтому необходимо в общей взаимосвязи, на основе системного подхода овладение законами развития технических наук, эволюции антропогенного мира.

Необходимо привлечь внимание к формированию мировоззренческих позиций инженеров, научных работников и преподавателей. Каждому из нас необходимо овладеть искусством системного подхода, использовать объективные законы и закономерности развития техники и на их основе принимать практические решения.

Законы развития технических систем (ЗРТС), на которых базируются все основные механизмы решения изобретательских задач в ТРИЗ, впервые сформулированы Г.С. Альтшуллером в книге "Творчество как точная наука" (М.: "Советское радио", 1979, с.122-127), и в дальнейшем дополнялись последователями.

закон техническая система энергетический

1. Статика

Законы развития технических систем можно разделить на три группы: "статику", "кинематику" и "динамику".

Начнем со "СТАТИКИ" - 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.

1.1 Закон полноты частей системы

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.

Любая техническая система, самостоятельно выполняющая какую-либо функцию, имеет четыре основные части - двигатель, трансмиссию, рабочий орган и средство управления. Поясним это.

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. В идеальном случае рабочий орган - энергия. Например, инструмент для плазменной обработки. Этот частный случай представляет собой одну из тенденций развития техники.

Средство управления - элемент, регулирующий поток энергии к частям технической системы и согласующий их работу во времени и пространстве.

Если в системе отсутствует какая-либо из этих частей, то её функцию выполняет человек или окружающая среда.

Анализируя любую автономно работающую систему, будь то холодильник, часы, телевизор или авторучка, везде можно видеть эти четыре элемента.

Примеры:

Фрезерный станок. Рабочий орган: фреза. Двигатель: электродвигатель станка. Всё что находится между электродвигателем и фрезой можно считать трансмиссией. Средство управления - человек-оператор, рукоятки и кнопки, или программное управление (станок с программным управлением). В последнем случае программное управление "вытеснило" человека-оператора из системы.

1.2 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.

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.

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 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.

Данный закон по другому называется в других источниках как 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.

Примеры:

Импедансы передатчика, фидера и антенны должны быть согласованы - в этом случае в системе устанавливается режим бегущей волны, наиболее эффективный для передачи энергии. Рассогласование ведёт к появлению стоячих волн и диссипации энергии.

Различают несколько правил энергопроводимости систем.

Первое правило энергопроводимости системы.

Если элементы при взаимодействии друг с другом образуют энергопроводящую систему с полезной функцией, то для повышения её работоспособности в местах контактирования 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.

Пример:

При застывании бетон сцепляется с опалубкой, и её трудно потом отделить. Две части хорошо согласовались между собой по уровням развития вещества - оба твёрдые, шероховатые, неподвижные и т.д. Образовалась нормальная энергопроводящая система. Чтобы не допустить её образования, нужно максимальное рассогласование веществ, например: твёрдое - жидкое, шероховатое - скользкое, неподвижное - подвижное. Здесь может быть несколько конструктивных решений - образование прослойки воды, нанесение специальных скользких покрытий, вибрация опалубки и др.

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.

Пример:

Согласно этому правилу выполнено большинство устройств в технике, где требуется соединять и разъединять энергопотоки в системе. Это различные муфты включения в механике, вентили в гидравлике, диоды в электронике и многое другое.

1.3 Закон согласования ритмики частей системы

Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является согласование ритмики (частоты колебаний, периодичности) всех частей системы.

По другому в других источниках данный закон называется как 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.)

Другие примеры:

В 10-20 раз снижается сопротивление движению плуга, если его лемех вибрирует с определенной частотой в зависимости от свойств грунта.

Ковш экскаватора, превратившись в роторное колесо, породил новую высокоэффективную систему добычи полезных ископаемых.

Автомобильное колесо из жёсткого деревянного диска с металлическим ободом стало подвижным, мягким и эластичным.

2. Кинематика

К "КИНЕМАТИКЕ" относятся законы, определяющие развитие технических систем, независимо от конкретных технических и физических факторов, обусловливающих это развитие.

2.1 Закон увеличения степени идеальности системы

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.

Техническая система в своём развитии приближается к идеальности. Достигнув идеала, система должна исчезнуть, а её функция продолжать выполняться.

Основные пути приближения к идеалу:

повышение количества выполняемых функций,

"свертывание" в рабочий орган,

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.

2.2 Закон неравномерности развития частей системы

Развитие частей системы идет неравномерно; чем сложнее система, тем неравномерное 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…

По другому закон также называется в некоторых источниках как закон опережающего развития рабочего органа, данное наименование полнее отражает суть закона.

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.

Пример:

Производительность токарного станка и его техническая характеристика оставались почти неизменными на протяжении многих лет, хотя интенсивно развивались привод, трансмиссия и средства управления, потому что сам резец как рабочий орган оставался прежним, то есть неподвижной моносистемой на макроуровне. С появлением вращающихся чашечных резцов производительность станка резко поднялась. Ещё больше она возросла, когда была задействована микроструктура вещества резца: под действием электрического тока режущая кромка резца стала колебаться до нескольких раз в секунду. Наконец, благодаря газовым и лазерным резцам, полностью изменившим облик станка, достигнута невиданная ранее скорость обработки металла.

2.3 Закон перехода в надсистему

Исчерпав возможности развития, система включается в надсистему в качестве одной из частей; при этом дальнейшее развитие идет на уровне надсистемы.

Или другая трактовка данного закона: 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.

Примеры:

Двухмоторный самолет (бисистема) надёжней своего одномоторного собрата и обладает большей маневренностью (новое качество).

Конструкция комбинированного велосипедного ключа (полисистема) привела к заметному снижению расхода металла и уменьшению габаритов в сравнении с группой отдельных ключей.

Лучший изобретатель - природа - продублировала особо важные части организма человека: у человека два легких, две почки, два глаза и т.д.

Многослойная фанера намного прочнее доски тех же размеров.

Имеет место предел развития:

Но на каком-то этапе развития в полисистеме начинают появляться сбои. Упряжка из более чем двенадцати лошадей становится неуправляемой, самолет с двадцатью моторами требует многократного увеличения экипажа и трудноуправляем. Возможности системы исчерпались. Что дальше? 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.

Примеры:

Вспомним тот же велосипедный ключ. Когда динамизировался его рабочий орган, т.е. губки стали подвижными, появился разводной ключ. Он стал моносистемой, но в то же время способным работать со многими типоразмерами болтов и гаек.

Многочисленные колёса вездеходов превратились в одну подвижную гусеницу.

3. Динамика

Перейдем к "ДИНАМИКЕ".

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.

3.1 Закон перехода с макроуровня на микроуровень

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.

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.

Пример:

В погоне за грузоподъёмностью на закате поршневой эры самолёты снабжались шестью, двенадцатью и более моторами. Затем рабочий орган - винт - всё же перешел на микроуровень, став газовой струёй.

3.2 Закон увеличения степени вепольности

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.

4. Другие законы

4.1 Закон s-образного развития ТС

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.

В качестве примера рассмотрим паровоз. Вначале был достаточно долгий экспериментальный этап с единичными несовершенными экземплярами, внедрение которых вдобавок сопровождалось сопротивлением общества. Затем последовало бурное развитие термодинамики, совершенствование паровых машин, железных дорог, сервиса - и паровоз получает публичное признание и инвестиции в дальнейшее развитие. Затем, несмотря на активное финансирование, произошёл выход на природные ограничения: предельный тепловой КПД, конфликт с окружающей средой, неспособность увеличивать мощность без увеличения массы - и, как следствие, в области начался технологический застой. И, наконец, произошло вытеснение паровозов более экономичными и мощными тепловозами, и электровозами. Паровой двигатель достиг своего идеала - и исчез. Его функции взяли на себя ДВС и электромоторы - тоже вначале несовершенные, затем бурно развивающиеся и, наконец, упирающиеся в развитии в свои природные пределы. Затем появится другая новая система - и так бесконечно.

4.2 Законы эволюции ТС

Структура законов эволюции технических систем

Эти законы определяют общее направление развития технических систем. Структура этих законов изображена на рис.1.

Рис.1. Структурная схема законов эволюции систем.

В своем развитии техника становится все более идеальной, т.е. ее развитие определяется законом увеличения степени ИДЕАЛЬНОСТИ.

Увеличение степени идеальности осуществляется выявлением и разрешением противоречий, которые возникают вследствие неравномерности развития систем.

Разрешение противоречий осуществляется использованием законов увеличения степени ДИНАМИЧНОСТИ системы, согласования и переходом системы в НАДСИСТЕМУ.

Увеличение степени динамичности проводится по функциям, структуре и управлению системой, которые осуществляются использованием закономерностей переходом системы на МИКРОУРОВЕНЬ, увеличением степени ВЕПОЛЬНОСТИ и ИНФОРМАЦИОННОЙ насыщенности систем.

Переход структуры системы с макро - на микроуровень осуществляется изменением масштабности и связанности элементов технической системы, а также использованием более сложных и энергетически насыщенных форм управления. Закон перехода с макро - на микроуровень, прежде всего, необходимо применять к рабочему органу. На рис.2 показана структура закона перехода системы на микроуровень. Механизмы каждой из закономерностей, например, дробления системы.

Рис. 2

Согласование структуры системы может осуществляться согласованием элементов и связей системы. Согласование должно быть функциональное и параметрическое, согласование по уровням (системы с надсистемой - внешнее согласование, системы с подсистемами и подсистем между собой - внутреннее согласование). Приведем пример одного из видов параметрического согласования системы с надсистемой - согласования ритмики.

Пример. При добыче угля угольные пласты ослабляют, обрабатывая их мощными импульсами воды, подаваемые из гидромонитора. Повысить эффективность этого способа можно, если импульсы подавать с частотой, равной частоте собственных колебаний расшатываемого массива.

В общем случае закон перехода в надсистему имеет два направления: выполнение системой функций надсистемы (или придание системе дополнительных функций) и объединение системы с другой (другими) системой (системами). Структурная схема закона перехода в надсистему показана на рис.3.

Рис.3. Структура закона перехода системы в надсистему.

В свою очередь первое направление выполняется выявлением альтернативных способов осуществления функции надсистемы без использования существующей системы, и придать системе дополнительные функции.

Пример. Существует система доска, на которой пишут мелом. Функция писать на доске. Эту же функцию можно выполнить, если писать. Более общая функция оставлять изображение. Ее можно выполнить, если писать на больших листах бумаги, например, фломастером. Можно проектировать изображение на экран с помощью проектора, соединенного с компьютером.

При придании системе дополнительных функций систему объединяют с другой функцией. В общем случае это может происходить по технологии описанной ниже. В качестве примера можно привести радио с часами.

Г. Альтшуллер сформулировал закон перехода в надсистему формулируется следующим образом: исчерпав ресурсы развития, система объединяется с другой системой, образуя новую, более сложную систему. Кроме того, Альтшуллер предложил механизм такого перехода. Он состоит в объединении двух исходных систем, при этом получают бисистему, или нескольких систем с получением полисистемы. Переход "моно-би-поли" - неизбежный этап в развитии всех технических систем. Механизм перехода "моно-би-поли" показан на рис.4. После объединения систем в би - или полисистему происходит некоторое изменение новой системы. При этом сокращаются вспомогательные элементы, и устанавливается более тесная связь между отдельными системами. Такие системы называются частично свернутыми.

Рис.4. Объединение системы с другими системами.

Дальнейшее развитие приводит к полностью свернутым системам, в которых один объект выполняет несколько функций. Полностью (а иногда и частично) свернутая би - или полисистема становится новой моносистемой и может совершить новый виток спирали.

5. Структура законов развития систем В. Петрова

Природа, различные области знания, деятельности, мышление и любые объекты материального мира, в том числе и техника, развиваются по своим определенным законам. Но существуют и некоторые общие законы развития, появившиеся вследствие единства материального мира. Самые общие из них - законы диалектики .

Рис.5. Уровни законов развития систем.

Техника развивается в тесном взаимодействии с общественным развитием и экосферой, вследствие чего наблюдаются значительное проникновение и обогащение законов развития общества, природы и техники. Например, развитие техники во многом зависит от потребностей общества и влияет на развитие природы. В данной книге будет в общих чертах изложена система законов, кратко описаны все законы и более детально изложены наиболее важные законы, которые читатель может использовать. Подробно с законами можно ознакомиться в специальной книге по законам развития систем.

В общем, виде система законов техники должна иметь уровни потребностей, функций и систем. Схематично это изображено на рис.5.

Рис.6. Структура законов развития систем.

Закономерности развития потребностей определяют тенденции их изменения. Это необходимо для определения функций и систем, с помощью которых можно удовлетворить возрастающие потребности. Закономерности развития функций описывают тенденции их изменения. Они связаны с закономерностями развития потребностей, но имеют и свою специфику, например, переход систем к многофункциональности (универсальности) или, наоборот, к однофункциональности (специализации).

Законы развития потребностей и функций здесь рассматриваться не будут. Подробнее с ними можно ознакомиться в учебном пособии по законам развития технических систем и статьях.

Собственно законы техники можно разделить на две группы (см. рис.6):

1. законы организации систем (определяющие жизнеспособность системы),

2. законы эволюции систем (определяющие развитие технических систем).

Законы диалектики в развитии технических систем

Наиболее общие из законов диалектики следующие:

1. единство и борьба противоречий,

2. переход количественных изменений,

3. отрицание отрицания.

Действие этих законов распространяется на все области бытия и мышления, по-разному развиваясь в каждой из них. Именно поэтому каждая вновь создаваемая наука должна опираться на эти законы.

5.1 Закон единства и борьбы противоположностей

Закон единства и борьбы противоположностей - ядро диалектики. Он служит источником возникновения любых объектов, в том числе материального мира и, в частности, технических систем. Закон характеризует одно из основных понятий ТРИЗ - противоречие, которое будет подробно рассмотрено дальше.

Понятие единства и борьбы противоположностей было ведено более 5000 лет древними китайскими философами в описании картины Мира, включающую материальную и духовную стороны. По мнению китайских философов, вселенная образована из энергии Чи (Chi), которая является средством взаимодействия мировых сил Инь (Yin) и Ян (Yang).

Силы Инь - символизируют Тьму, Холод, Зло, Покой, все отрицательное, плохое, женское начало.

Силы Ян - символизируют Свет, Тепло, Добро, Деятельность, все положительное, хорошее, мужское начало.

Силы Инь и Ян взаимодействуют, взаимопреодолевают и превращаются друг в друга.

Рис.7. Инь-Ян.

Постепенно нарастая одна в другой, они переходят стадию предела, когда преодоление одного начала сменяется преодолением другого. Затем начинается обратное движение. Этот процесс бесконечен, ибо движение во вселенной вечно.

Идею вечного движения и борьбы противоположных начал воплощает известный графический образ Инь-Ян (монада) - темная и светлая доли круга.

Символически это показано на рис.7, где белая часть круга - сила Ян, а черная - Инь.

Черный кружок на белом фоне означает, что Ян рождает Инь, а белый кружок на черном - Инь рождает Ян. Уменьшение Ян приводит к увеличению Инь (см. внизу круга) и, наоборот (верх круга).

5.2 Закон перехода количественных изменений в качественные

Закон перехода количественных изменений в качественные вскрывает общий механизм развития. В процессе развития количественные изменения в системе происходят непрерывно. При достижении определенного предела совершаются качественные изменения. Новое качество ускоряет темпы роста. Количественные изменения при этом совершаются постепенно (эволюционно), а качественные - скачком. Характер и продолжительность скачка могут быть разнообразными - длительными и кратковременными, бурными и относительно спокойными, с взрывом и без него и так далее. Любая система (в том числе и техническая) проходит несколько этапов своего развития.

Рис.8. S-образная кривая. Где: P - параметр системы, t - время.

Вначале система развивается медленно (участок I), при достижении некоторого уровня развитие ускоряется (участок II) и после достижения некоторого более высокого уровня скорость роста уменьшается и в конечном итоге рост параметра системы прекращается (участок III), что означает появление в системе некоторых противоречий. Иногда параметры начинают уменьшаться (участок IV) - система "умирает".

Подобные кривые часто называют S - образными.

Для технических систем:

участок I - "зарождение" системы (появление идеи и опытных образцов),

участок II - промышленное изготовление системы и доработка системы в соответствии с требованиями рынка,

участок III - незначительное "дожимание" системы, как правило, основные параметры системы уже не изменяются, происходят "косметические" изменения, чаще всего не существенные изменения внешнего вида или упаковки,

участок IV - ухудшение определенных параметров системы, которое может вызываться несколькими фактами:

следование моде, влияние экономической, социальной или политической ситуации, религиозные ограничения и т.п.;

физическое и моральное старение системы.

Рис.9. Скачкообразное развитие систем

Рис.10. Огибающая кривая.

Как правило, на участке IV система прекращает свое существование или утилизируется. Прекращение роста данной системы не означает прекращение прогресса в этой области. Появляются новые более совершенные системы - происходит скачок в развитии. Это типичный пример проявления закона перехода количественных изменений в качественные. Такой процесс изображен на рис.9.

На смену системе 1 приходит 2. Скачкообразное развитие продолжается - появляются системы 3, 4 и т.д. (рис.10).

Общий прогресс в отрасли можно показать при помощи касательной к данным кривым (показанная на рисунке пунктирной линией) - так называемой огибающей кривой.

Развитие любого вида техники может быть примером, подтверждающим этот закон. Обратимся к судостроению.

Пример. Скорость передвижения гребных судов постепенно повышалась за счет увеличения числа весел, но не превышало 7-8 узлов.

Скачок в развитии - появление парусных судов. Рост скорости здесь осуществлялся путем увеличения общей площади парусов. Однако самые быстроходные парусные корабли не показывали более 12-13 уз. В то же время коммерческие клиперы середины XIX в. развивали до 20 уз.

Дальнейшее повышения скорости передвижения и независимость его от скорости и направления ветра привело к очередному скачку - появились суда с двигателями. Увеличение скорости хода в этом типе судна происходило путем совершенствования двигателей и замены их на другие типы с большей удельной мощностью.

Следующим скачком в развитии судостроения было вынесение водоизмещающей части корпуса судна из воды. Появились суда на подводных крыльях и полупогруженные суда. В дальнейшем еще уменьшили сопротивление воды о корпус (о стойки крыльев) - придумали суда на воздушной подушке. И, наконец, дальнейшее уменьшение сопротивление движению корпуса - судно вынесли еще дальше от воды - появились экранопланы.

Учет закона перехода количественных изменений в качественные происходит на этапе выбора задачи и прогнозирования развития систем.

5.3 Закон отрицания отрицания

Суть закона отрицания отрицания заключается в том, что процесс поступательного развития происходит в относительной повторяемости, как бы по пройденным ступеням. Но повторение каждый раз происходит на более высоком уровне с применением новых элементов, материалов, технологий и т.д. Можно сказать, что процесс развития происходит по спирали. Наиболее ярко это заметно в моде.

Проиллюстрируем этот закон.

Рис.11. Шахта в корме.

Пример. В XIX веке на парусно-винтовых судах двигатели использовались только при штиле. Чтобы гребной винт не создавал сопротивления при плавании под парусами, его делали съемным и поднимали через шахту в корме на палубу.

Совершенствование силовой установки позволило избавиться от парусов. Потребность в съеме винта отпала. Шахту в корме над винтом делать перестали. В ХХ веке большие гребные винты стали делать со съемными лопастями. Судно оснастили оборудованием для замены лопастей гребного винта на плаву. И снова появилась необходимость делать в корме шахты. В изобретении Великобритании, сделанном в 1968 году и запатентованном и в СССР предложено для улучшения условий ремонтопригодности, в навесной корме, расположенной над гребным винтом, сделать шахту, через которую поднимают и опускают ремонтируемую лопасть.

Вот еще одно решение этой проблемы для транспортных и рыболовных судов прибрежного плавания, оснащенных и двигателем и парусами. Датские инженеры создали необычный винт. Когда судно движется под парусами, винт автоматически складывается и практически не создает сопротивления. Но стоит упасть скорости судна, как лопасти винта тотчас занимают рабочее положение. Одновременно включается и двигатель. Суда с таким винтом развивают скорость на 10% выше обычных.

Пример. С появлением пароходов роль парусного флота стала уменьшаться, и сейчас паруса используются лишь на небольших рыболовецких, спортивных или учебных судах. Однако в Гамбургском институте кораблестроения (ФРГ) разработан проект коммерческого парусного судна

Паруса напоминают поставленные вертикально самолетные крылья. Мачты судов поворачиваются вокруг своей оси, ставя паруса под наиболее благоприятным углом к ветру. КПД новых парусов в 1,5 раза больше традиционных. Паруса ставятся и убираются по такому же принципу, как раздвижной занавес в театре.

Судно автоматизировано, и им можно было бы даже управлять на расстоянии. При среднем ветре под парусами судно может идти со скоростью 12-15 узлов, как и современные морские транспортные суда; при попутном ветре до 20 узлов (у судов в двигателями скорость при свежем ветре падает). Система парусов позволяет использовать самый слабый порыв ветра. На случай полного безветрия, что случается крайне редко, придется установить на судне маломощный двигатель. В ветреную погоду он будет управлять парусами. На паруснике установлен компьютер, обрабатывающий метеорологическую информацию, постоянно поступающую со спутника земли или наземной станции, и рекомендует капитану оптимальный курс.

В условиях энергетического кризиса паруса с успехом могут соперничать с любым двигателем, работающем на жидком топливе. Конструкторы считают, что достаточно вместительные парусники могут быть экономичнее даже судов с ядерными установками.

6. Законы организации технических систем

Законы организации представляют собой критерии жизнеспособности для разработки новых технических систем. Структура этих законов представлена на рис.12.

Рис.12. Структурная законов организации систем.

Жизнеспособность системы тесно связана с понятием системность.

Разрабатываемый объект будет жизнеспособен, если он выполнен системным.

Под системностью понимается работоспособная система, с определенной структурой, отвечающей ее предназначению. Эта структура должна обеспечивать главную цель системы, и выполнять все основные и вспомогательные функции.

Состав системы включает: собственно систему, ее подсистемы, надсистему и окружающую или внешнюю среду. Работоспособность зависит не только от структуры системы, но и учета всех взаимосвязей и взаимовлияний системы на надсистему, окружающую среду, системы на подсистемы и обратного влияния. Отсутствие учета таких влияний может не только отрицательно сказаться на работоспособности системы, но и влиять на внешнюю среду.

Системность учитывает и закономерности исторического развития исследуемого объекта.

Структурная схема системности представлена на рис.13.

Таким образом, системность учитываться использованием законов полноты и избыточности системы и минимального согласования и обеспечение желательных взаимосвязей и взаимовлияний.

Полнота и избыточность могут быть функциональные и структурные.

Рис.13. Системность.

Функциональная полнота и избыточность должны обеспечивать главную цель системы, и выполнять все основные и вспомогательные функции, т.е. выполнять одно из требований системности.

Структурная полнота и избыточность должна обеспечить наличие необходимых элементов и связей системы, т.е. выполнять другое требование системности - обеспечение состава и структуры системы.

В качестве основных элементов системы можно назвать:

Источник и преобразователь энергии

Рабочий орган

Система управления.

Связи могут иметь самый разнообразный характер, в частности они могут представлять собой трансмиссию, которая передает и/или преобразует энергию.

Элементы и связи могут быть вещественные, энергетические и информационные. Которые должны содержаться в необходимом количестве и обеспечивать определенное качество.

Таким образом, закономерности организации определяют функциональный состав и структуру системы, обеспечивающие ее минимальную работоспособность.

В наиболее общем виде система может выполнять функции переработки, транспортировки и хранения. Функциональный состав должен соответствовать функциональному назначению системы, прежде всего ее главной функции. Работоспособность структуры определяется минимальным набором основных функций.

Минимальное согласование проводится по функциям, структуре и соответствия структуры функциям. Это третье требование системности - учет взаимосвязей и взаимовлияний. Таким образом, согласование бывает:

· Функциональное

· Структурное

· Функционально-структурное.

Последнее требование системности - учет исторического развития системы необходим при прогнозировании развития объекта исследования. Это происходит путем учета выявленных тенденций исторического и логического развития данного объекта, и учета общих законов развития систем.

Основными законами организации технических систем являются:

полнота частей системы;

избыточность частей системы;

наличие связей между частями системы и системы с над системой;

минимальное согласование частей и параметров системы.

В наиболее общем виде структура основных законов организации систем представлена на рис.14.

Рис.14. Основные законы организации ТС.

Источники

1. http://ru. wikibooks.org/wiki/Учебник_ТРИЗ/Законы_развития_технических_систем

2. Материал из свободной энциклопедии, Википедии. http://ru. wikipedia.org/

3. Официальный фонд Альтшуллера. http://www.altshuller.ru/triz/zrts1. asp

4. Альтшуллер Г.С. О законах развития технических систем. - Баку, 20.01.1977.

5. Золотин Б.Л., Зусман А.В. Законы развития и прогнозирования технических систем. Кишенев, Прогресс, 1989 г.

6. 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.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Исследование составляющих элементов теории решения изобретательских задач и её значение для науки, изобретателей и производства. Анализ степени изменения объекта в зависимости от степени трудоемкости: закон полноты, ритмики и увеличения степени системы.

контрольная работа , добавлен 10.02.2011


Закономерности существования и развития технических систем. Основные принципы использования аналогии. Теория решения изобретательских задач. Нахождение идеального решения технической задачи, правила идеальности систем. Принципы вепольного анализа.

курсовая работа , добавлен 01.12.2015


Основные понятия и определения алгоритма решения изобретательских задач (АРИЗ) как комплексной программы алгоритмического типа, основанной на законах развития технических систем. Классификация противоречий, логика и структура АРИЗ. Пример решения задачи.

реферат , добавлен 16.06.2013


Принцип работы устройства для измерения давления фундамента на грунт. Анализ устройства по законам развития технических систем. Энергетическая и информационная проводимость. Статическая модель технического противоречия на основе катастрофы типа сборка.

курсовая работа , добавлен 04.11.2012


Основные количественные показатели надежности технических систем. Методы повышения надежности. Расчет структурной схемы надёжности системы. Расчет для системы с увеличенной надежностью элементов. Расчет для системы со структурным резервированием.

курсовая работа , добавлен 01.12.2014


Динамика рабочих сред в регулирующих устройствах и элементах систем гидропневмопривода, число Рейнольдса. Ограничитель расхода жидкости. Ламинарное движение жидкости в специальных технических системах. Гидропневматические приводы технических систем.

курсовая работа , добавлен 24.06.2015


Изучение принципа работы устройства для измерения давления фундамента на грунт. Анализ и синтез по закону полноты частей системы, по закону энергетической и информационной проводимости, по закону согласования-рассогласования. Синтез и разрушение веполей.

курсовая работа , добавлен 27.10.2012


Понятие и основные этапы жизненного цикла технических систем, средства обеспечения их надежности и безопасности. Организационно-технические мероприятия повышения надежности. Диагностика нарушений и аварийных ситуаций, их профилактика и значение.

презентация , добавлен 03.01.2014


Уровень развития технологических и технических систем. Расчет освещения, электроснабжения и вентиляции помещения салона красоты, сечения проводников и кабелей, тепло- и влагоизбытков, надежности оборудования. Подбор вентилятора и электродвигателя.

курсовая работа , добавлен 17.02.2013


Алгоритм решения изобретательских задач. Замена специальных терминов на функциональные. Применение системы изобретательских стандартов к модели задачи. Описание приспособления (упаковки саморазогревающейся), используемого для разогрева продуктов питания.

Открыл законы развития технических систем, знание которых помогаeт инженерам предсказывать пути возможных дальнейших улучшений продуктов:

1. Закон увеличения степени идеальности системы.
2. Закон S-образного развития технических систем.
3. Закон динамизации.
4. Закон полноты частей системы.
5. Закон сквозного прохода энергии.
6. Закон опережающего развития рабочего органа.
7. Закон перехода «моно - би - поли».
8. Закон перехода с макро- на микроуровень.

Самый важный закон рассматривает идеальность - одно из базовых понятий в ТРИЗ.

Описание законов

Закон увеличения степени идеальности системы

Техническая система в своём развитии приближается к . Достигнув идеала, система должна исчезнуть, а её функция продолжать выполняться.

Основные пути приближения к идеалу:

• повышение количества выполняемых функций,
• «свертывание» в рабочий орган,
• 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.

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:

1. «детство» . Идёт, как правило, достаточно долго. В этот момент идёт проектирование системы, её доработка, изготовление опытного образца, подготовка к серийному выпуску.
2. «расцвет» . Она бурно совершенствуется, становится всё более мощной и производительной. Машина выпускается серийно, её качество улучшается и спрос на неё растёт.
3. «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.

В качестве примера рассмотрим . Вначале был достаточно долгий экспериментальный этап с единичными несовершенными экземплярами, внедрение которых вдобавок сопровождалось сопротивлением общества. Затем последовало бурное развитие термодинамики, совершенствование паровых машин, железных дорог, сервиса - и паровоз получает публичное признание и инвестиции в дальнейшее развитие. Затем, несмотря на активное финансирование, произошёл выход на природные ограничения: предельный тепловой , конфликт с окружающей средой, неспособность увеличивать мощность без увеличения массы - и, как следствие, в области начался технологический застой. И, наконец, произошло вытеснение паровозов более экономичными и мощными , и . достиг своего идеала - и исчез. Его функции взяли на себя и - тоже вначале несовершенные, затем бурно развивающиеся и, наконец, упирающиеся в развитии в свои природные пределы. Затем появится другая новая система - и так бесконечно.

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 , системы изменения 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 (над-система) всё же получает б́ольшую 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.)

Другие примеры:

• В 10-20 раз снижается сопротивление движению , если его лемех вибрирует с определенной частотой в зависимости от свойств грунта.
• Ковш экскаватора, превратившись в роторное колесо, породил новую высокоэффективную систему добычи полезных ископаемых.
• Автомобильное из жёсткого деревянного диска с металлическим ободом стало подвижным, мягким и эластичным.

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.

• Фрезерный станок. Рабочий орган: фреза. Двигатель: электродвигатель станка. Всё что находится между электродвигателем и фрезой можно считать трансмиссией. Средство управления - человек-оператор, рукоятки и кнопки, или программное управление (станок с программным управлением). В последнем случае программное управление «вытеснило» человека-оператора из системы.

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 частей системы по принятию и передаче энергии.

Первое правило энергопроводимости системы

полезной функцией , то для повышения её работоспособности в местах контактирования 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.

• При застывании бетон сцепляется с опалубкой, и её трудно потом отделить. Две части хорошо согласовались между собой по уровням развития вещества - оба твёрдые, шероховатые, неподвижные и т. д. Образовалась нормальная энергопроводящая система. Чтобы не допустить её образования, нужно максимальное рассогласование веществ, например: твёрдое - жидкое, шероховатое - скользкое, неподвижное - подвижное. Здесь может быть несколько конструктивных решений - образвание прослойки воды, нанесение специальных скользких покрытий, вибрация опалубки и др.

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.

• Согласно этому правилу выполнено большинство устройств в технике, где требуется соединять и разъединять энергопотоки в системе. Это различные муфты включения в механике, вентили в гидравлике, диоды в электронике и многое другое.

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 неэфффективным, 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.

• Производительность токарного станка и его техническая характеристика оставались почти неизменными на протяжении многих лет, хотя интенсивно развивались привод, трансмиссия и средства управления, потому что сам резец как рабочий орган оставался прежним, то есть неподвижной моносистемой на макроуровне. С появлением вращающихся чашечных резцов производительность станка резко поднялась. Ещё больше она возросла, когда была задействована микроструктура вещества резца: под действием электрического тока режущая кромка резца стала колебаться до нескольких раз в секунду. Наконец, благодаря газовым и лазерным резцам, полностью изменившим облик станка, достигнута невиданная ранее скорость обработки металла.

Закон перехода «моно - би - поли»

Первый шаг - переход к би системам. Это повышает надежность системы. Кроме того, в бисистеме появляется новое качество, которое не было присуще моно системе.

Переход к поли системам 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.

• Двухмоторный самолет (бисистема ) надёжней своего одномоторного собрата и обладает большей маневренностью (новое качество).
• Конструкция комбинированного велосипедного ключа (полисистема ) привела к заметному снижению расхода металла и уменьшению габаритов в сравнении с группой отдельных ключей.
• Лучший изобретатель - природа - продублировала особо важные части организма человека: у человека два легких, две почки, два глаза и т. д.
• Многослойная фанера намного прочнее доски тех же размеров.

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. Что дальше? 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.

• Вспомним тот же велосипедный ключ. Когда динамизировался его рабочий орган, то есть губки стали подвижными, появился разводной ключ. Он стал моносистемой, но в то же время способным работать с многими типоразмерами болтов и гаек.
• Многочисленные колёса вездеходов превратились в одну подвижную гусеницу.

Закон перехода «моно - би - поли» тесно связан с законом перехода с макро- на микроуровень.

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.

• В погоне за грузоподъёмностью на закате поршневой эры самолёты снабжались шестью, двенадцатью и более моторами. Затем рабочий орган - винт - всё же перешел на микроуровень, став газовой струёй.

• Владимир Петров. Серия статей «Законы развития систем» © Владимир Петров

Итак, в основе ТРИЗ - представление о закономерном развитии технических систем. Материалом для выявления конкретных закономерностей является патентный фонд, содержащий описания миллионов изобретений. Ни в одном другом виде человеческой деятельности нет такого огромного и систематизированного свода записей «задача-ответ».
Анализ патентных материалов позволил выявить ряд важнейших законов развития технических систем. Первая группа этих законов (законы статики) определяет критерий жизнеспособности новых технических систем.
Необходимыми условиями принципиальной жизнеспособности технической системы являются: наличие и хотя бы минимальная работоспособность ее основных частей, сквозной проход энергии через систему к ее рабочему органу, согласование собственных частот колебаний (или периодичности действия) всех частей системы.
Законы эти элементарны и очевидны, если речь идет о живых системах. Однако при создании и совершенствовании технических систем законы зачастую нарушаются. Примером может служить уже упоминавшееся изобретение по а. с. № 427423 - способ измерения давления газа в баллонах электрических ламп. По этому способу баллон разбивают, газ выпускают в мерный сосуд, а затем, измеряя изменения давления в мерном сосуде, вычисляют давление, которое было в разбитом баллоне. Автор этого изобретения впоследствии получил ряд других авторских свидетельств: совершенствовались все части устройства, кроме одной - «разби- вательной». Но поскольку эта часть оставалась плохой, вся система тоже оставалась плохой.
Задача 12. По конвейеру движутся одна за другой металлические детали, похожие на кнопки: круглая пластинка размером с гривенник, а в центре - стерженек высотой 5 мм. У одних «кнопок» стерженьки тупые, у других - острые. Нужно автоматизировать разделение «кнопок» по этому признаку. Способ должен быть простым и надежным.

Это типичная задача на синтез измерительной системы. Измерение, как и изменение, всегда связано с преобразованием энергии. Но в задачах на изменение необходимость преобразования энергии видна намного отчетливее, чем при решении задач на измерение. Поэтому при решении задачи 12 методом перебора вариантов даже не вспоминают о законе обеспечения сквозного прохода энергии. В эксперименте задача была предложена четырем заочникам (живущим в разных городах), только приступающим к изучению ТРИЗ. Результат: выдвинуто 11 идей, контрольного решения нет. Предложения характеризуются неопределенностью: «Может быть, острые и тупые «кнопки» отличаются по весу? Тогда надо проверить возможность сортировки по весу...». Четыре заочника второго года обучения дали контрольные ответы, причем двое из них отметили тривиальность задачи.
В самом деле, если применить закон о сквозном проходе энергии, ясно, что энергия должна проходить сквозь основание «кнопки» и стерженек, а затем поступать на измерительный прибор. При этом между острием стерженька и входом измерительного прибора желательно иметь свободное пространство (воздушный промежуток), чтобы не затруднять движения «кнопок». Цепь «кнопка - острие стерженька - воздух - вход прибора» может быть легко реализована, если энергия электрическая, значительно труднее она реализуется при использовании других видов энергии. Следовательно, надо рассмотреть процесс в потоке электрической энергии, а также то, в каких случаях ток зависит от степени заостренности стерженька, контактирующего с воздухом. Такая постановка вопроса в сущности содержит и ответ на задачу: надо использовать коронный разряд, сила тока в котором прямо зависит (при прочих равных условиях) от радиуса кривизны (т. е. от степени заостренности) электрода.
Существуют и некоторые другие закономерности статики, которые пока еще не сформулированы достаточно четко. Таков, например, «принцип соответствия», по которому оптимальные размеры рабочего органа системы должны быть того же порядка (или на один-два порядка меньше), что и размеры обрабатываемой области изделия. Здесь ясно видна некоторая неопределенность: в каких случаях размеры должны быть равны, а в каких на два порядка меньше? Пока удалось только подметить, что в измерительных задачах почти всегда размеры инструмента (точнее, рабочих частей, рабочих частиц) примерно на два порядка ниже размеров измеряемого объекта.
Вторая группа законов развития технических систем (законы кинематики) характеризует направление развития независимо
от конкретных технических и физических механизмов этого развития.
Развитие всех технических систем, во-первых, идет в направлении увеличения степени идеальности, во-вторых, происходит неравномерно - через возникновение и преодоление технических противоречий, причем чем сложнее система, тем неравномернее и противоречивее развитие ее частей. И в-третьих, развитие возможно до определенного предела, за которым система включается в надсистему в качестве одной из ее частей, при этом развитие на уровне системы резко замедляется или совсем прекращается, заменяясь развитием на уровне надсистемы.
Существование технической системы - не самоцель. Система нужна только для выполнения какой-то функции (или нескольких функций). Система идеальна, если ее нет, а функция осуществляется. Конструктор подходит к задаче так: «Нужно осуществить то-то и то-то, следовательно, понадобятся такие-то механизмы и устройства». Правильный изобретательский подход выглядит совершенно иначе: «Нужно осуществить то-то и то-то и сделать это необходимо, не вводя в систему новые механизмы и устройства». Примером может служить решение задачи 1 о шлаке: жидкий шлак сам себя защищает от теплопотерь с помощью «крышки» из шлаковой пены. Крышка есть (т. е. пена шлака играет роль крышки) и крышки нет (как специального объекта, который надо опускать и поднимать).
При решении задач перебором вариантов сознательное стремление к идеальному объекту встречается крайне редко. Но повышение степени идеальности систем - закон. К ответу, повышающему степень идеальности, приходят на ощупь после того, как отброшено множество «пустых» проб.
Как возникают новые виды животных? В результате действия различных мутагенных факторов появляются новые признаки. В огромном большинстве случаев эти признаки бесполезны или вредны. И лишь изредка появляется признак, полезный для организма. Естественный отбор «бракует» особи с неудачными новыми признаками и способствует сохранению и распространению особей с полезными признаками. Итак, беспорядочные «пробы» и естественный отбор.
Таков и механизм работы при совершенствовании технических систем перебором вариантов. Изобретатели, не зная законов технических систем, генерируют множество различных вариантов решения. Жизнеспособными оказываются только те «мутации», которые действуют в направлении, совпадающем с объективно существующими законами развития. В хороших изобретениях
нетрудно заметить эффект повышения идеальности, хотя достигнут этот эффект чаще всего неосознанно, случайно, после многих попыток, связанных с уменьшением степени идеальности.
У природы нет сознания, разума: результаты мутаций не изучаются, борьба за повышение «процента удачных мутаций» не ведется. Если круто меняются внешние условия, организмы с большим циклом смены поколений (т. е. с небольшим числом мутаций в единицу времени) просто погибают. В технике есть возможность накопить опыт «мутаций» (таким накопителем, в частности, является патентный фонд), исследовать его, выявить «правила удачного мутирования», объективно совпадающие с законами развития технических систем. Это позволит вести «мутации» сознательно: первый же выдвинутый вариант должен быть наилучшим.
В начале книги мы уже говорили о технических противоречиях, теперь кое-что уточним.
Существуют противоречия административные (АП): нужно что-то сделать, а как сделать - неизвестно. Такие противоречия отражают лишь сам факт возникновения изобретательской задачи, точнее, изобретательской ситуации. Они автоматически даются вместе с ситуацией, но ни в коей мере не способствуют продвижению к ответу. Технические противоречия (ТП) отражают конфликт между частями или свойствами системы (или «межранговый» конфликт системы с надсистемой, системы с подсистемой). Изобретательской ситуации присуща группа ТП, поэтому выбор одного противоречия из этой группы равносилен переходу от ситуации к задаче. Существуют типовые ТП, например, в самых различных отраслях техники часто встречаются ТП типа «вес-прочность», «точность-производительность» и т. д. Типовые технические противоречия преодолеваются типовыми приемами. Путем анализа многих тысяч изобретений (преимущественно третьего-четвертого уровней) удалось составить списки таких приемов. Более того, были составлены таблицы применения этих приемов в зависимости от типа противоречий. Поэтому ТП обладают определенной эвристической ценностью: зная ТП, можно по таблице выйти на нужную группу приемов. Однако при решении сложных задач такой путь не всегда оказывается эффективным, поскольку многое остается неопределенным: неизвестно, какой именно прием из группы надо использовать, к какой части конфликтующей пары его отнести, как именно применить (например, дробление) в обстоятельствах данной задачи. Положение осложняется еще и тем, что решения многих сложных задач связаны с использованием определенных сочетаний нескольких приемов (или сочетаний приемов и физэффек-

тов). Поэтому анализ задач необходимо вести глубже, выявляя физическую суть ТП.