ЗАКОНЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ

ЗАКОНЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ

Все существующие в мире системы, в том числе и антропогенные, развива-ются и функционируют по своим законам. Законы развития технических систем описаны в достаточно большом количестве изданий. Эти работы подтверждают, что технические системы (ТС) развиваются по объективно существующим законам, эти законы можно познать и использовать их не только для получения новых решений, но и для прогнозирования развития систем. Это, пожалуй, самое ценное, что предоставляет нам знание законов.
Закон – необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между явлениями в природе и обществе.
Законы развития следует отличать от законов организации и функциониро-вания.
Развитие – процесс перехода из одного состояния в другое, более совершен-ное, переход от старого качественного состояния к новому качественному со-стоянию, от простого к сложному, от низшего к высшему.
Функционирование – изменение свойств и параметров системы в процессе вы-полнения главной полезной функции (ГПФ).
Законы функционирования отражают взаимодействие элементов, пространственно-временные и причинно-следственные связи между ними, взаимодействие системы с окружающей средой. Эти законы вытекают из фундаментальных законов природы и изучаются естественными науками.
Законы развития отражают механизмы качественного преобразования сис-тем, раскрывают пути возможных переходов от одного качества к другому.
Развитие описывается тремя группами законов:
1. Всеобщими законами, справедливыми для любой развивающейся системы, независимо от ее природы – законами диалектики.
2. Общими — для достаточно многочисленных групп систем, например, для всех ТС.
3. Частными законами, характерными только для определенного вида систем, например, транспортных.
Между общими законами и частными существует диалектическая взаимосвязь: общие законы действуют через частные, а частные – представляют собой конкретные проявления общих. В настоящее время выявлена и описана достаточно большая группа законов развития технических систем (ЗРТС):
— закон S-образной кривой развития систем;
— закон полноты частей системы;
— закон сквозного прохода энергии;
— закон вытеснения человека из ТС;
— закон неравномерного развития частей системы;
— закон увеличения степени идеальности системы;
— закон развертывания-свертывания ТС;
— закон повышения динамичности систем;
— закон согласования-рассогласования систем;
— закон перехода ТС на микроуровень.
Рассмотрим краткое толкование основных законов.

ЗАКОН S-ОБРАЗНОГО РАЗВИТИЯ

В XIX веке были установлены некоторые общие закономерности биологиче-ских систем: рост численности колоний бактерий, популяций насекомых и т.п. в зависимости от времени. Эти кривые похожи тем, что на них можно выделить четко три этапа: I – медленный рост, II – быстрое лавинообразное нарастание и III этап – стабилизация численности или других характеристик системы. Такие кривые получили название S-образных (эс-образных) кривых. Закон был открыт в 1845 г. Верхолстом, а затем был изучен Р.Перлом. S-образная кривая отражает борьбу прогрессивных и регрессивных факторов.
Впоследствии оказалось, что аналогичные три этапа проходят в своем разви-тии все технические системы: корабли, самолеты, бумагоделательные машины и т.д. Существуют многочисленные публикации на эту тему.
S-образная кривая строится в координатах: «важнейшие характеристики системы – время». Для систем типа «конструкция» в качестве характеристик могут быть, например, мощность, скорость и др., а для технологических систем, например, производительность. На кривой можно выделить несколько характер-ных точек.

Дадим краткую характеристику отдельных участков кривой.
I этап. Зарождение системы. Система, как правило, не работает. Идет поиск лучшей организации системы, выявление ее функциональных возможностей. Об-щество практически ничего не знает о системе. Экономический эффект отрицательный. Характеристики системы растут очень медленно.
Пример . Самолет А.Ф. Можайского, построенный в 1882г. в натуральную величину, не полетел. Первые полеты на планере совершил кучер Джорша Кэйли, построив его в 1853 г. Первый полет на самолете совершил Орвилл Райт 17 декабря 1903 г.
II этап. В точке 1, как правило, начинается промышленный выпуск системы. Характеристики системы нарастают бурно, лавинообразно. Общество осознает необходимость использования системы, которая становится экономически вы-годной. Она вытесняет с рынка устаревшие системы. Активный рост показателей идет вплоть до точки 2.
Пример. В 1926 г. американец Роберт Годдард запустил первую ракету на жидком топливе, С.П. Королев – в 1933г., а в Вернер фон Браун построил ФАУ-2 во время II мировой войны. Активное освоение космического пространства началось 4 октября 1957 г., когда в космос был выведен первый искусственный спутник Земли (ИСЗ). С этого момента космонавтика развивается стремительно. Спутники решают самые разнообразные задачи: военные, метеорологические, топографические, связь и т.д. Развивающиеся ракетные системы существенно потеснили артиллерию и авиацию в решении стратегических задач.
В точке 2 рост характеристик замедляется и к точке 3 практически все возможные ресурсы, необходимые для развития системы, исчерпываются.
III этап. В точке 4 исчерпываются все возможности физических законов, на которых основано ее действие. После этой точки судьба системы может разви-ваться двояко: 1. система существует в таком состоянии неопределенно долго (консервируется), пользуется постоянным спросом, дает постоянный экономи-ческий эффект. 2. Эффективность системы падает вместе со спросом на нее, выпуск ее прекращается, заканчивается жизненный цикл системы.
Пример. Законсервировавшихся систем в нашей жизни достаточно много. Это простейшие системы, такие как лопата, топор, молоток и др.
«Умерших» систем также много: ЭВМ серии ЕС, патефон, ламповые телеви-зор, паровозы и т.д.
Характер поведения S-образной кривой после точки 4 и уменьшение экономической эффективности говорит о том, что для поддержания растущего или постоянного экономического эффекта к точке 4 должна быть поставлена на производство новая система, которая создает условия для роста прибыли и она по своим показателям лучше старой. Таким образом, прибыльное производство требует постоянного обновления выпускаемой продукции.
Применение закона.
1. Отслеживая основные параметры системы и нанося их на S-образную кривую, можно своевременно провести разработку и постановку на производство новой системы.
2. За рубежом существует теория жизненного цикла (ЖЦ) систем, основанная на S-образной кривой, которая служит основой разработки стратегии маркетинга и функционально-стоимостной стратегии (ФСС). Для каждого этапа жизни системы имеется своя стратегия, отражающая спрос на товар, цену на рынке и т.д.
Таким образом, рассмотренный закон имеет важное прогностическое значе-ние.

ЗАКОН ПОВЫШЕНИЯ ИДЕАЛЬНОСТИ СИСТЕМ

Формулировка закона: Любая ТС развивается в направлении повышения своей идеальности.
На качественном уровне закон можно проиллюстрировать коэффициентом идеальности:
где: SФП – совокупность полезных функций, выполняемых системой (в стоимостном выражении); SЗ – совокупность затрат на разработку, производство, эксплуатацию, утилизацию системы (факторы расплаты), включая затраты на ликвидацию последствий от вредных функций системы.
Очевидно, что, по мере развития системы, должен наблюдаться рост Ки. В са-мом идеальном случае SЗ ? О и Ки ? ?. Нет затрат – нет системы, но функции ее должны выполняться. В реальной жизни это условие вряд ли выполнимо, но нацеленность разработчиков и производственников на достижение более идеального результата должно быть всегда.
Пример. Для работы порошковых огнетушителей требуются специальные ис-точники газа, пневмосистема, сигнально-пусковые устройства. В ЮУрГУ на основе использования свойства огнетушащих порошковых составов выделять газ при нагреве предложен простой способ выброса порошка самим порошком (а.с. СССР № 1261680). При нагреве емкости для хранения порошка, часть порошка разлагается, наддувает емкость и выбрасывает порошок. Это просто и экономично. Существенно снижается SЗ и растет Ки.
Анализируя (3) можно наметить формальные пути повышения идеальности систем

Конкретные механизмы повышения идеальности систем:
1. Использование ресурсов.
2. «Развертывание-свертывание» систем (согласно закона развертывания-свертывания);
3. Динамизация систем и перевод их на микроуровень (согласно соответствую-щих законов);
4. Разрешение противоречий в системах;
Механизмы, соответствующие п.п. 2–4, подробнее рассматриваются в соответствующих законах. Основная идея, касающаяся использования ресурсов, может быть сформулирована так: идеальная система строится из имеющихся ресурсов.

«Ресурсы, – согласно словарю, – средства, запасы, возможности, источники средств, доходы».
Виды ресурсов:
1. Материальные (вещественные) ресурсы – основные и вспомогательные материалы, используемые при изготовлении системы, отходы производства;
2. Энергетические ресурсы – все виды энергии, используемые в системе в про-цессе ее изготовления и при эксплуатации;
3. Пространственные ресурсы – незанятое пространство в системе, производственные площади в технологической системе;
4. Ресурсы времени. Любые промежутки времени не использованные в системе для совершения ГПФ. Например, время между операциями в технологических системах.
5. Финансовые ресурсы. Свободные денежные средства;
6. Ресурсы информации. Часто это информация, которая может быть получена от полей рассеивания (звукового, теплового и т.д.);
7. Функциональные ресурсы. Возможность системы выполнять по совместительству дополнительные функции.

Источники ресурсов. В первую очередь источником ресурсов является сама система или оперативная зона (зона взаимодействия рабочего органа системы и изделия). Ресурсы могут находиться в надсистеме и во всей окружающей среде (воздух, вода, фоновые поля и т.д.) Для повышения идеальности системы следует сначала использовать внутрисистемные ресурсы, а затем ресурсы надсистемы и окружающей среды.
Применение закона.
1. В целом закон формирует целое ресурсосберегающее направление в технологическом развитии, т.е. дает начало малоотходным и безотходным технологиям.
2. “Ки” используется для оценки альтернативных вариантов конструкций и технологий.

ЗАКОН ПОЛНОТЫ ЧАСТЕЙ СИСТЕМЫ

Формулировка закона. Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является наличие и минимальная работоспособность основных частей системы.
По определению, система – совокупность множества элементов. Элементы системы могут быть объединены в несколько функциональных групп:
1. Двигатель (Дв) – функциональная группа элементов системы, которая преобразует поступающую от источника энергию в нужную форму (механическую, тепловую, электрическую и т.д.);
2. Трансмиссия (ТР) – функциональная группа элементов системы, которая передает поток энергии к рабочему органу системы;
3. Рабочий орган (РО) – функциональная группа элементов непосредственно выполняющая преобразование изделия;
4. Система управления (СУ) – функциональная группа элементов системы, собирающая необходимую информацию о поведении системы, надсистемы и выполняющая управление на основе полученной информации.

Источник энергии (ИЭ) может быть объединен с двигателем или находиться в надсистеме, т.е. энергия может поступать извне, в том числе и от человека. Полная ТС должна включать четыре части: Дв, ТР, РО, СУ.
Минимальный состав работоспособной ТС – состав, при наличии которого ТС может без человека выполнять ГПФ. Если хотя бы одна часть отсутствует, то такая ТС называется неполной. Реально существующие системы в большинстве случаев являются не полными.
Пример. Лук для стрельбы – неполная ТС, так как здесь в наличии имеется лишь РО (стрела), ТР (тетива) и Дв (натянутая тетива и согнутая дуга). Полнота «достраивается» человеком – ИЭ и СУ.
По определению Ю.П.Саламатова [16], технический объект становится ТС, когда к РО пристраиваются трансмиссия и двигатель.
Пример. Лопата – технический объект, так как она имеет штык – РО, чере-шок – ТР, а функции источника энергии, двигателя и системы управления (ИЭ, Дв, СУ) выполняет человек.
Применение закона. Для работы с ЗРТС всегда необходимо четко представлять все части системы, чтобы можно было с ними сознательно работать. Кроме того, важно знать, является наша система полной или неполной. Наконец, знание состава РО помогает нам правильно записать ГПФ и, наоборот, знание ГПФ помогает более четко выделить элементы РО.
Таким образом, закон полноты частей системы имеет, в основном, аналитическое значение.

ЗАКОН ВЫТЕСНЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА ИЗ ТС

Формулировка закона. В процессе развития ТС происходит поэтапное вы-теснение из нее человека, то есть техника постепенно берет на себя функции, ранее выполнявшиеся человеком, приближаясь, тем самым, к полной системе .
Вытеснение человека из ТС фактически означает последовательную передачу машинам трудного для человека физического монотонного труда, переход человека к все более интеллектуальным видам деятельности, то есть отражает общее прогрессивное развитие человечества.
В полной ТС можно выделить три функциональных уровня:
1. Исполнительный (РО, ТР, Дв).
2. Управления – исполнительные органы СУ.
3. Информационный – информационная часть СУ (датчики, устройства обра-ботки информации).
Изложим процесс вытеснения человека из ТС.
Развитие начинается с досистемного уровня, когда человек не имел никаких инструментов, а пользовался для обработки изделий только своими руками, зу-бами, ногтями. Оно идет путем вытеснения с вышеуказанных уровней в следующем порядке:

С исполнительного уровня:

1.1. Появляются первые инструменты (дубины, каменные ножи и т.п.);
1.2. Появление простых механизмов (рычага, лука и др.);
1.3. Использование вместо мускульной силы различных источников энергии (воды, ветра, пара).

С уровня управления:

2.1. Появление устройств управления (руль у корабля);
2.2. Появление механизмов – преобразователей команд (сервомоторы, бустерные устройства);
2.3. Появление источников команд управления (копиры у станков, автопи-лоты без обратных связей и др.)

С информационного уровня:

3.1. Появление инструментов получения информации (различные датчики, например, термопары);
3.2. Появление преобразователей информации (электронные устройства);
3.3. Появление систем оценки информации и принятия решений (АСУ).

Вытеснение человека быстрее и эффективнее всего происходит на первом уровне и медленнее на втором и третьем.
Применение закона.
1. Для конкретной системы можно составить прогноз дальнейшего вытеснения человека, но для этого нужно предварительно проанализировать систему по закону полноты частей системы, а затем уже заниматься прогнозированием.
2. Закон задает глобальное направление в технике и технологиях – создание безлюдных технологий на базе автоматизированного оборудования.

ЗАКОН «ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ» СИСТЕМЫ

Формулировка закона. Необходимым условием принципиальной жизнеспособности системы является сквозной проход энергии по всем частям системы.
В сформулированном виде закон имеет большое значение для технических систем. Для этого случая полное изложение можно смотреть в работе.
Применение закона. В более общем случае можно говорить не только об энергетической проводимости, но о проводимости потоков энергии, массы, информации, денежных потоков и др. В такой постановке закон можно использовать, например, в технологических системах, где имеет место поток сырья, заготовок, материалов, но также имеются информационные и энергетические потоки.
Пример. В непрерывных технологических процессах имеет место непрерыв-ный поток сырья и готовой продукции. В такой системе должен быть обеспечен сквозной проход сырья ко всем рабочим местам системы.

ЗАКОН НЕРАВНОМЕРНОГО РАЗВИТИЯ

Формулировка закона. Развитие частей и характеристик системы проис-ходит неравномерно. Чем сложней система, тем неравномернее развитие.
В развитии ТС в соответствии с законами диалектики происходит чередова-ние этапов количественного роста и качественных скачков. В процессе количе-ственного роста в результате неравномерного развития характеристик ТС появляются противоречия.
Противоречие – проявление несоответствия между разными требованиями, предъявляемыми человеком к системе, и ограничениями, накладываемыми на нее законами природы, социальными, юридическими и экономическими законами, уровнем развития науки и техники, конкретными условиями.
На начальном этапе развития, когда ТС обладает большими ресурсами, противоречия решаются путем компромисса. Но количественный рост продолжается, происходит накопление и обострение противоречий. Эти противоречия разрешаются в результате качественных скачков – создания принципиально новых систем (см. закон S-образной кривой). При этом общественная потребность удовлетворяется лишь на момент соз-дания новой системы.
При любом времени ? > ?1 между потребностью и возможностью системы удовлетворить спрос появляется вилка – неудовлетворенный спрос (? на момент времени ?2). Рисунок показывает нам, что необходимо создавать такие системы, возможности которых, на момент создания, значительно превышали бы общественную потребность (точка В на рис. 16). Тогда общественная потребность будет удовлетворена до момента времени.
Проблемой формулирования и разрешения противоречий в системах занимается ТРИЗ. В ней рассматривается, в основном, два вида противоречий: технические и физические. Технические противоречия – противоречия между характеристиками или частями системы (см. закон полноты частей системы).
Физическое противоречие, более глубокое противоречие, затрагивающее физический принцип действия у ТС. В художественных системах это может быть художественное противоречие или в экономических – экономическое.
Применение закона.
Закон помогает обнаруживать противоречия в системах. Более очевидными они становятся, например, при структурном анализе систем, когда по линии действия каждой связи записывается положительное и отрицательное действие.

ЗАКОН «РАЗВЕРТЫВАНИЯ-СВЕРТЫВАНИЯ» СИСТЕМ

«Развертывание» ТС начинается с момента ее рождения и осуществляется сна-чала в рамках существующей конструктивной концепции, а затем и при выходе за ее пределы. «Развертывание-свертывание» систем часто осуществляется за счет моно-би-поли-моно переходов (рис. 17), происходящих в процессе объединения (дробления) исходной моносистемы по какому-либо из представленных путей.

Примеры:
1. Создание новой системы (надсистемы) из однородных (одинаковых) исход-ных систем (подсистем): ножницы, расческа, фреза; двуствольное ружье.
2. Создание новой системы (надсистемы) из разнородных исходных систем: маникюрный набор, столовый сервиз, предприятие (фирма) и др.
3. Создание надсистемы путем объединения систем со сдвинутыми (близкими, но неодинаковыми) характеристиками: многоцветная ручка, набор цветных карандашей, протяжка (многолезвийный режущий инструмент с различной заточкой лезвий).
4. Объединение исходной системы и антисистемы (система с противопо-ложной ГПФ): выключатель, кондиционер и др.).
5. Объединение системы с пустотой (дает иногда неожиданные эффекты): пус-тотелые шестеренки – дольше служат, пустотелые болты и гайки – не требуют шайбы и т.д.
В технологических процессах «развертывание» путем дробления системы – путь дифференциации технологии на более мелкие разнородные операции, что приемлемо для массового производства, организованного по поточному прин-ципу.
Концентрация операций и переходов на одном рабочем месте (объединение) более приемлемо для серийного и единичного производства, для оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ) и обрабатывающих центров.
Применение закона. Закон имеет большое практическое значение, так как по-зволяет непосредственно преобразовывать («развертывать» и «свертывать») системы: конструкции и процессы. Для проведения таких преобразований жела-тельно исходную систему сначала подвергнуть анализу по закону полноты час-тей системы (ЗПЧС), выделить ее составные части, а затем уже проводить пре-образования.
Для осуществления процесса «свертывания» разработаны специальные процедуры (ФИМ систем), которые будут рассмотрены ниже.

ЗАКОН ПОВЫШЕНИЯ ДИНАМИЧНОСТИ И УПРАВЛЯЕМОСТИ ТС

Формулировка закона. «Жесткие» системы для повышения их эффективности должны становиться динамичными, то есть переходить к более гибкой, быстро меняющейся структуре и к режиму работы, подстраивающемуся под изменения внешней среды».
В момент «зарождения» ТС обычно имеют жесткие внутренние связи, из-за чего системы легко уязвимы, часто выходят из строя, имеют малый ресурс. Поэтому неизбежно при дальнейшем развитии системы она должна динамизироваться. Для механических систем этап динамизации начинается с введения одного или нескольких шарниров, затем жесткие элементы заменяются на гибкие, жидкие, газовые. Для дальнейших этапов характерно применение физических, химических и других эффектов, введение обратных связей и т.д. Выявлены линии динамизации элементов (вещества) и связей.
Процесс динамизации характерен не только для систем типа «конструкция», но и для технологических процессов. В «жестких» техпроцессах, настроенных на выпуск одного изделия переналадка на другое изделие либо совсем невозможна, либо требует очень больших временных и денежных затрат. Гибкие производственные системы (ГПС), наоборот, позволяют перейти на выпуск другого изделия сразу, как только будет заменена программа обработки.
Закон справедлив не только для технических систем. Рынок товаров и услуг в рыночной экономике является более динамичной системой и потому более эффективной, чем аналогичный в нерыночной экономике.
Применение закона. Закон имеет непосредственное практическое применение, так как позволяет реализовать конкретные шаги по динамизации исходной системы, тем самым, повышая ее эффективность (идеальность). Существует оп-ределенный алгоритм динамизации элементов (вещества) и связей (полевых).
Для работы с этими алгоритмами нужно знать исходное состояние системы (точку на линии динамизации), что можно достаточно легко сделать, но перед этим нужно предварительно сделать анализ системы по закону полноты частей системы.

ЗАКОН ПЕРЕХОДА ТС НА МИКРОУРОВЕНЬ

Формулировка закона. Развитие рабочего органа системы идет сначала на макро-, а затем на микроуровне.
Иными словами, вместо колес, валов, шестерен должны работать молекулы, атомы, ионы, электроны и т.д., которые легко управляются полями Возможности использования макроуровня быстро исчерпываются и переход на микроуровень неизбежен. При этом начинают использоваться внутренние ре-сурсы вещества, не проявляющиеся на макроуровне.
Возможны три основных направления перехода на микроуровень:
1. Увеличение степени дробления вещества и объединения дробных веществ в новую систему. Здесь можно выделить несколько шагов:
1.1. Макроуровень – система из узлов и деталей (шестерни, валы и т.д.);
1.2. Полисистемы из элементов простой геометрической формы (конструк-ции из листов, нитей, шариков и др.);
1.3. Полисистемы из высокодисперсных элементов (порошки, эмульсии, аэрозоли);
1.4. Системы, использующие эффекты, связанные со структурой веществ (кристаллических, жидких, с фазовыми переходами и т.д.);
1.5. Системы, использующие молекулярный уровень веществ;
1.6. Системы, использующие атомные явления, действие элементарных частиц и т.д.;
2. Увеличение степени дробления вещества и объединение с пустотой (переход к капиллярно-пористым материалам; например, сотовые конструкции, использование пены и др.);
3. Замена вещественной части системы на полевую (лазерная резка, сварка).
Все, что было изложено выше, более справедливо для систем типа «устрой-ство».
В развитии технологических процессов можно выделить пять уровней:
1. Технология макроуровня (механическая обработка материалов резанием);
2. Микротехнологии, основанные на использовании структуры веществ и фазо-вых переходов (литье, сварка материалов, термическая обработка, коротко – вся металлургия);
3. Микротехнологии молекулярного уровня (биотехнологии, химические технологии);
4. Технологии атомного уровня (лазерные, плазменные методы);
5. Технологии уровня атомного ядра (работа атомных реакторов, бомбардиров-ка ядер, с целью получения новых материалов).
Применение закона. С одной стороны, закон позволяет оценивать уровень развития технологий и конструкций, с другой – непосредственно использовать закон для совершенствования систем, использованию перевода систем на мик-роуровень.

ЗАКОН СОГЛАСОВАНИЯ-РАССОГЛАСОВАНИЯ СИСТЕМ

Формулировка закона. В процессе развития системы происходит согласование или целенаправленное рассогласование ее элементов и параметров между собой или с параметрами окружающей среды с целью повышения ее идеальности.
Согласование проявляется уже на этапе зарождения системы, когда идет подбор необходимых подсистем и элементов, а также внутри системных связей. Согласованию подлежит большой круг параметров (материалы, форма, разме-ры, структура, ритмика и др.). Это так называемое внутреннее согласование. После постановки на производство начинается новый виток согласования, когда наиболее важным становится согласование системы с окружающей средой, в частности с потребителем. Это – внешнее согласование.
На этапе насыщения параметров для получения нового эффекта возможно целенаправленное рассогласование, которое может дать толчок созданию новой системы.
Конечным этапом в данном цикле развития является динамическое согласование-рассогласование, при котором параметры системы меняются, управляемо (а также и самоуправляемо) так, чтобы принимать оптимальные значения в зависимости от условий работы.
Примеры. Материалы с памятью формы, применение электро- и магнитореологических жидкостей, твердеющих в соответствующем поле.

Применение закона. Закон может быть использован на любом этапе для лучшего внутреннего и внешнего согласования параметров системы, например с изделием, или с человеком (по линии эргономики), а также введения рассогласования, особенно если система находится на III этапе развития.

ОСОБЕННОСТИ СОВМЕСТНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЗАКОНОВ

Главной особенностью применения законов РС является то, что их свод также представляет собой систему и пользоваться ими желательно как системой. К сожалению, опубликованных работ по данному направлению мало. Одной из них является работа И.М.Кондракова и Ю.П.Саламатова по тепловым трубам, депонированная в Фонде материалов по ТРИЗ Челябинской областной универ-сальной научной библиотеки (ЧОУНБ).

Вопросы для самопроверки к главе IV

1. Сформулируйте сущность каждого закона в отдельности.
2. Приведите свой пример к каждому закону.
3. Сформулируйте основные направления развития для систем типа «Устройство».
4. Сформулируйте основные направления развития для систем типа «технологический процесс».

1. Преобразуйте с использованием ЗРС исходные системы: ножницы, магазин, резка материалов, продажа товара.

www.feip.ru

Урок 2. Законы развития систем


Одной из предпосылок ТРИЗ является то, что существуют объективные законы развития и функционирования систем, опираясь на которые можно строить изобретательские решения. Другими словами, многие технические, производственные, экономические и социальные системы развиваются по одним и тем же правилам и принципам. Г. С. Альтшуллер обнаружил их, изучив патентный фонд и проанализировав пути развития и усовершенствования техники в течение долгого времени. Результаты, опубликованные в книгах ««Линии жизни» технических систем» и «О законах развития технических систем», позже объединенные в работе «Творчество как точная наука», стали базисом для Теории развития технических систем (ТРТС).

В данном уроке мы предлагаем вам познакомиться с этими законами, подкрепленными примерами. В программе обучения ТРИЗ они занимают главное место, поскольку раскрываются и детализируются в правилах их применения, в стандартах, принципах разрешения противоречий, вепольном анализе и АРИЗе.

Содержание

Терминология и краткое введение

Закон развития технической системы (ЗРТС) – это существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между элементами внутри системы и с внешней средой в процессе прогрессивного развития, перехода системы от одного состояния к другому с целью увеличения ее полезной функциональности.

Г. С. Альтшуллер открытые законы разделил на три раздела «Статику», «Кинематику», «Динамику». Названия эти условны и не имеют прямого отношения к физике. Но можно проследить связь этих групп с моделью «начала жизни-развития-смерти» в соответствии с законом S-образного развития технических систем, который автор предложил для полной картины эволюции процессов в технике. Она изображается логистической кривой, которая показывает меняющиеся со временем темпы развития. Этапов три:

1. «Детство». Конкретно в технике это длительный процесс проектирования системы, ее доработки, изготовления опытного образца, подготовки к серийному выпуску. В глобальном понимании этап связан с законами «Статики» – группой, объединенной критериями жизнеспособности возникающих технических систем (ТС). Говоря простым языком, благодаря этим законам можно дать ответы на два вопроса: Будет ли жить и функционировать создаваемая система? Что нужно сделать для того, чтобы она жила и функционировала?

2. «Расцвет». Этап бурного совершенствования системы, ее становления в качестве мощной и производительной единицы. Он связан со следующей группой законов – «Кинематикой», которая описывает направления развития технических систем вне зависимости от конкретных технических и физических механизмов. В буквальном понимании это означает те изменения, которые должны произойти в системе, чтобы она отвечала возрастающим к ней требованиям.

3. «Старость». С какого-то момента развитие системы замедляется, а позже прекращается вовсе. Это обусловлено законами «Динамики», характеризующими развитие ТС в условиях действия конкретных технических и физических факторов. «Динамика» противоположна «Кинематике» – законы этой группы определяют лишь возможные изменения, которые могут быть совершены в данных условиях. Когда возможности совершенствования исчерпаны, на смену старой системе приходит новая, и весь цикл повторяется.

Законы первых двух групп – «Статики» и «Кинематики» – универсальны по своему характеру. Они действуют в любую эпоху и применимы не только к техническим системам, но и к биологическим, социальным и т. д. «Динамика» же, по словам Альтшуллера, говорит об основных тенденциях функционирования систем именно в наше время.

Как пример действия комплекса этих законов в технике можно вспомнить развитие такой технической системы, как весельный флот. Она прошла становление от маленьких лодок с парой весел до крупных боевых кораблей, где сотни весел располагались в несколько рядов, уступив в результате место парусникам. В социальном и историческом плане примером S-образной системы может служить зарождение, процветание и упадок афинской демократии.

Законы «Статики» в ТРИЗ определяют начальную стадию функционирования технической системы, начало ее «жизни», определяя необходимые для этого условия. Сама категория «система» говорит нам о целом, составленном из частей. Техническая система, как и любая другая, начинает свою жизнь в результате синтеза отдельных компонентов. Но не всякое такое объединение дает жизнеспособную ТС. Законы группы «Статика» как раз и показывают, какие обязательные условия должны выполняться для успешной работоспособности системы.

Основных частей четыре: двигатель, трансмиссия, рабочий орган и орган управления. Для обеспечения жизнеспособности системы нужны не только эти части, но и их пригодность к выполнению функций ТС. Другими словами, эти составляющие должны быть работоспособными не только по отдельности, но и в системе. Классический пример – двигатель внутреннего сгорания, который работает сам по себе, функционирует в такой ТС как легковой автомобиль, но не пригоден для применения в подводной лодке.

Из закона полноты частей системы следует вывод: чтобы система была управляемой, необходимо, чтобы хотя бы одна ее часть была управляемой. Управляемость означает способность менять свойства в зависимости от предполагаемых заданий. Это следствие хорошо иллюстрирует пример из книги Ю. П. Саламатова «Система законов развития техники»: воздушный шар, управлять которым можно с помощью клапана и балласта.

Похожий закон был сформулирован в 1840 г. Ю. фон Либихом и для биологических систем.

Любая техническая система является преобразователем энергии. Отсюда очевидная необходимость передачи энергии от двигателя через трансмиссию к рабочему органу. Если какая-то часть ТС не будет получать энергии, то и вся система не будет работать. Главным условием эффективности технической системы с точки зрения энергопроводимости является равенство способностей частей системы по принятию и передаче энергии.

Из закона «энергетической проводимости» следует вывод: чтобы часть технической системы была управляемой, необходимо обеспечить энергетическую проводимость между этой частью и органами управления. Этот закон статики также является основой определения 3 правил энергопроводимости системы:

  1. Если элементы при взаимодействии друг с другом образуют систему, проводящую энергию с полезной функцией, то для повышения ее работоспособности в местах контакта должны быть вещества с близкими или одинаковыми уровнями развития.
  2. Если элементы системы при взаимодействии образуют энергопроводящую систему с вредной функцией, то для ее разрушения в местах контактирования элементов должны быть вещества с различными или противоположными уровнями развития.
  3. 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.

Теоретик ТРИЗ А. В. Тригуб уверен, что для устранения вредных явлений или усиления полезных свойств технической системы, необходимо согласовать или рассогласовать частоты колебаний всех подсистем в технической системе и внешних системах. Попросту говоря, для жизнеспособности системы важно, чтобы отдельные части не только работали вместе, но и не мешали друг другу выполнять полезную функцию.

Этот закон прослеживается на примере истории создания установки для дробления камней в почках. Данный аппарат дробит камни целенаправленным лучом ультразвука, чтобы в дальнейшем они выводились натуральным путем. Но изначально для разрушения камня требовалась большая мощность ультразвука, что поражало не только их, но и окружающие ткани. Решение пришло после того, как была согласована частота ультразвука с частотой колебания камней. Это вызывало резонанс, который и разрушал камни, благодаря чему мощность луча удалось уменьшить.

Кинематика

Группа законов ТРИЗ «Кинематика» имеет дело с уже образованными системами, которые проходят этап своего становления. Условие, как было сказано выше, кроется в том, что эти законы определяют развитие ТС, независимо от конкретных технических и физических факторов, его обусловливающих.

В классическом понимании идеальная система – это система, вес, объем, площадь которой стремятся к нулю, хотя ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. Иначе говоря – это когда системы нет, а функция ее сохраняется и выполняется. Все ТС стремятся к идеальности, но идеальных очень мало. Образцом может служить сплав леса плотами, когда корабль для транспортировки не требуется, а функция доставки выполняется.

На практике можно найти множество примеров подтверждения данного закона. Предельный случай идеализации техники заключается в ее уменьшении (вплоть до исчезновения) при одновременном увеличении количества выполняемых ею функций. Например, первые поезда были больше чем сейчас, а пассажиров и грузов перевозили меньше. В дальнейшем габариты уменьшились, усилилась мощность, благодаря чему стала возможной перевозка больших объемов грузов и увеличение пассажиропотока, что привело и к снижению стоимости самой транспортировки.

Неравномерность развития частей системы является причиной возникновения технических и физических противоречий, и, следовательно, изобретательских задач. Следствием данного закона является то, что рано или поздно изменение одной составляющей ТС спровоцирует цепную реакцию технических решений, которые приведут к изменению и оставшихся частей. Закон находит свое подтверждение в термодинамике. Так, в соответствии с принципом Онсагера: движущая сила любого процесса – это появление неоднородности в системе. Значительно раньше, чем в ТРИЗ, этот закон был описан в биологии: «В ходе прогрессивной эволюции возрастает взаимное приспособление органов, происходит координация изменений частей организма и идет аккумуляция корреляций общего значения».

Отличной иллюстрацией справедливости закона служит развитие автомобильной техники. Первые двигатели обеспечивали относительно небольшую по сегодняшним меркам скорость в 15-20 км/час. Установка двигателей большей мощности увеличила скорость, что со временем стало причиной замены колес на более широкие, изготовления кузова из более прочных материалов и т.д.

Некоторые исследователи выделяют этот закон как отдельный, но многие труды выводят его в комплексе с законом неравномерности развития частей системы. Такой подход нам кажется более органичным, и мы выносим индивидуальный блок для данного закона лишь для большей структурированности и понятности.

Значение этого закона в том, что он указывает на распространенную ошибку, когда с целью увеличения полезности изобретения развивается не рабочий орган, а любой другой, например, управленческий (трансмиссия). Конкретный случай – чтобы создать многофункциональный игровой смартфон, нужно не просто сделать его удобным для держания в руке и оснастить большим дисплеем, а, в первую очередь, позаботиться о мощном процессоре.

Данный закон является универсальным и находит свое отображение во многих сферах. Степенью динамизации – способностью системы приспосабливаться к внешней среде – обладают не только технические системы. Когда-то такую адаптацию прошли биологические виды, вышедшие из воды на сушу. Изменяются и социальные системы: все больше компаний практикуют вместо офисной работы удаленную, а многие работники отдают предпочтение фрилансу.

Примеров из техники, подтверждающих данный закон, также множество. Свой облик за пару десятилетий поменяли мобильные телефоны. Причем изменения были не только количественными (уменьшение в размерах), но и качественными (увеличение функиональности, вплоть до перехода в надсистему – планшетофоны). Первые бритвенные станки «Gilette» имели неподвижную головку, которая позже стала более удобной движущейся. Еще один пример: в 30-е гг. в СССР выпускались быстрые танки БТ-5, которые по бездорожью двигались на гусеницах, а выехав на дорогу, сбрасывали их и шли на колесах.

Когда динамизация системы невозможна, другими словами, когда ТС полностью исчерпала свои возможности и дальнейших путей ее развития нет, система переходит в надсистему (НС). В ней она работает в качестве одной из частей; при этом дальнейшее развитие идет уже на уровне надсистемы. Переход происходит не всегда и ТС может оказаться мертвой, как, например, произошло с каменными орудиями труда первых людей. Система может не переходить в НС, а оставаться в состоянии, когда не может быть существенно усовершенствована, но сохранять жизнеспособность в силу необходимости этого людям. Примером такой технической системы служит велосипед.

Вариантом перехода системы в надсистему может быть создание би- и полисистем. Его еще называют законом перехода «моно – би – поли». Такие системы более надежны и функциональны, благодаря приобретаемым в результате синтеза качествам. После прохождения этапов би- и поли- наступает свертывание – либо ликвидация системы (каменный топор), поскольку она свое уже отслужила, либо переход ее в надсистему. Классический пример проявления: карандаш (моносистема) – карандаш с ластиком на конце (бисистема) – разноцветные карандаши (полисистема) – карандаш с циркулем или ручка (свертывание). Или бритва: с одним лезвием – с двумя – с тремя и более – бритва с вибрацией.

Этот закон является не только общим законом развития систем, схемой, по которой развивается все, но и законом природы, ведь симбиоз живых организмов с целью выживания известен с незапамятных времен. Как подтверждение: лишайники (симбиоз гриба и водорослей), членистоногие (рак-отшельник и актинии), люди (бактерии в желудке).

«Динамика» объединяет законы развития ТС характерные для нашего времени и определяет возможные изменения в них в научно-технических условиях современности.

Суть заключается в том, что любая ТС для развития своего полезного функционала стремится перейти с макроуровня на микроуровень. Другими словами, в системах соблюдается тенденция перехода функции рабочего органа от колес, шестерней, валов и т. д. к молекулам, атомам, ионам, которые легко управляются полями. Это одна из главных тенденций развития всех современных технических систем.

Понятия «макроуровень» и «микроуровень» являются в данном отношении скорее условными и призваны показать уровни мышления человека, где первый уровень – что-то физически соизмеримое, а второй – понимаемое. В жизни любой ТС наступает момент, когда дальнейшее экстенсивное (увеличение полезной функции за счет изменений на макроуровне) развитие невозможно. Дальше систему можно развивать только интенсивно, за счет повышения организованности все более низких системных уровней вещества.

В технике переход между макро- и микроуровнями хорошо демонстрирует эволюция строительного материала – кирпича. Сначала это была просто организация формы глины для удобства. Но однажды человек забыл кирпич на пару часов на солнце, а когда вспомнил о нем – тот затвердел, что сделало его более надежным и практичным. Но со временем было замечено, что такой материал плохо держит тепло. Было совершено новое изобретение – теперь в кирпиче оставляли большое количество воздушных капилляров – микропустот, что существенно понизило его теплопроводность.

Г. С. Альтшуллер писал: «Смысл этого закона заключается в том, что невепольные системы стремятся стать вепольными, а в вепольных системах развитие идет в направлении перехода от механических полей к электромагнитным; увеличения степени дисперсности веществ, числа связей между элементами и отзывчивости системы».

Веполь – (вещество+поле) – модель взаимодействия в минимальной технической системе. Это понятие абстрактное, применяемое в ТРИЗ для описания некоторого вида отношений. Под вепольностью стоит понимать управляемость. Дословно закон описывает вепольность как последовательность изменения структуры и элементов веполей с целью получения более управляемых технических систем, т.е. систем более идеальных. При этом в процессе изменения необходимо осуществлять согласование веществ, полей и структуры. Примером может служить диффузионная сварка и лазер для резки различных материалов.

В заключение отметим, что здесь собраны лишь описанные в литературе законы, в то время как теоретики ТРИЗ говорят о существовании и других, открыть и сформулировать которые еще предстоит.

Проверьте свои знания

Если вы хотите проверить свои знания по теме данного урока, можете пройти небольшой тест, состоящий из нескольких вопросов. В каждом вопросе правильным может быть только 1 вариант. После выбора вами одного из вариантов, система автоматически переходит к следующему вопросу. На получаемые вами баллы влияет правильность ваших ответов и затраченное на прохождение время. Обратите внимание, что вопросы каждый раз разные, а варианты перемешиваются.

Напоминаем, что для полноценной работы сайта вам необходимо включить cookies, javascript и iframe. Если вы ввидите это сообщение в течение долгого времени, значит настройки вашего браузера не позволяют нашему порталу полноценно работать.

4brain.ru

Еще по теме:

  • Договор дарения доли в квартире налоги Дарение доли (части) квартиры Доля (часть) квартиры — это доля в праве собственности на это недвижимое имущество. Ее можно подарить другому лицу, не спрашивая при этом согласия у других владельцев жилья. Договор дарения доли квартиры оформляется в […]
  • Можно ли вернуть страховку за жизнь Как вернуть свои деньги за страхование жизни при кредите? Оформить заявку и получить ответ из банка всего за 30 минут→ Мы очень часто сталкиваемся с вопросами наших читателей о том, как можно вернуть деньги, отданные за услугу страхования жизни […]
  • Приказ о сроках сессии Сроки выхода приказа об отчислении по итогам летней сессии Вопрос: Здравтвуйте! Можно ли узнать, когда выйдет приказ об отчислении из университета, если студент не сдал вторую сессию(летний период)? Ответ проректора по учебной работе Лавриковой […]
  • Нотариус краснодар работает в субботу Нотариусы Краснодара Краснодар,ул. Красная 70 Бюро переводов Mediatranslate предлагает самый широкий спектр услуг: - перевод паспортов, свидетельств о рождении, смерти, разводе, браке, перемене имени Краснодар, Центральный микрорайон, ул. Гоголя, […]
  • Закон воронежской области об областном бюджете Законы Воронежской области об областном бюджете закон Воронежской области от 05.07.2018 № 98-ОЗ «О внесении изменений в Закон Воронежской области «Об областном бюджете на 2018 год и на плановый период 2019 и 2020 годов» закон Воронежской области от […]
  • Подпись работника в трудовой книжке при увольнении Подпись работника на полях трудовой книжки Статьи по теме При увольнении работник поставил свою подпись на полях, где указаны номера страниц трудовой книжки. Является ли это нарушением и будет ли запись считаться действительной? Отвечают эксперты […]