Техника и технические системы (часть 1)

     Наука и техника как области человеческой деятельности существуют с давних пор. Однако, если в прошлых столетиях проблемы этих областей интересовали лишь узкий круг причастных к ним интеллектуалов, а отношение к технике было сугубо прикладным, то наше время выдвинуло оба этих явления в центр общественного внимания. Количество специальных технических дисциплин возрастает с огромной скоростью, поскольку не только различные отрасли техники, но и разные аспекты этих отраслей становятся предметом исследования. Всё возрастающая специализация в технике стимулирует процесс развития технических дисциплин, однако все они концентрируют свое внимание на отдельных видах, или на отдельных аспектах, определенных "срезах" техники. Техника же в целом не является предметом исследования технических дисциплин.
     Многие естественные науки в связи с усилением их влияния на природу вынуждены принимать во внимание технику и даже делают её предметом специального исследования, конечно, со своей особой естественнонаучной (например, физической) точки зрения. В силу проникновения техники практически во все сферы жизни современного общества даже общественные науки, прежде всего социология и психология, обращаются к специальному анализу технического развития. Историческое же развитие техники традиционно является предметом изучения истории техники как особой гуманитарной дисциплины, но, как правило, историко-технические исследования специализированы по отдельным отраслям или стадиям развития и почти не затрагивают вопросы о тенденциях и перспективах развития современной техники.

     Технические устройства и орудия, которые окружают нас в повседневной жизни, это лишь предметы технической деятельности человека, материальные результаты его технических усилий и размышлений. За всем этим лежит обширная сфера технических знаний и основанных на этих знаниях действий. Технические знания воплощаются не только через техническую деятельность в разного рода технических устройствах, но и фиксируются в статьях, книгах, учебниках. Без налаженного механизма производства, накопления и передачи знаний никакое техническое развитие в современном обществе было бы невозможно. Кроме того, сам процесс применения научных знаний в инженерной практике далеко не прост и связан не только с приложением уже имеющихся, но и с получением новых знаний. Поэтому в настоящее время техника понимается:
     - как совокупность технических устройств, 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 и эксплуатации, от разработки отдельных элементов технических систем до системного исследования и проектирования;
     - как совокупность технических знаний (технологий), от специализированных рецептурно-технических, до теоретических научно-технических и системотехнических знаний. 

     Иногда говорят, что техника развивается по законам природы. В доказательство приводится тот факт, что любая машина и орудие основаны на законах и явлениях природы, которые нельзя игнорировать, создавая технику. Действительно, эти законы нельзя отбросить, но сама природа никогда не создавала и не создает технику, техника создается людьми, обществом, а раз так, то бесполезно пытаться законами природы объяснить технический прогресс. В наше время появляются новые тенденции в понимании техники, связанные с возрастанием роли науки в техническом развитии, а так же с тем, что теперь нередко гораздо сложней и трудней разработать (спроектировать) техническую систему, чем ее изготовить.
     Любое общественное явление развивается при участии человека и благодаря его деятельности, поэтому говорить о саморазвитии техники в строгом смысле этого слова нельзя. Можно лишь подразумевать возникновение определенных внутренних противоречий в технике, обусловленных общим ходом ее развития. Техника развивается не по экономическим, политическим или иным законам, свойственным определенным сторонам общественной жизни, а по законам, которые выражают ее взаимодействие с этими сторонами, устойчивые связи и отношения с ними. Следовательно, стремясь обнаружить закономерности техники и технического прогресса, необходимо в первую очередь изучать их взаимодействие с другими сторонами и явлениями общественной жизни. Технический объект - это, несомненно, часть объективной реальности, но часть особая. Его возникновение и существование связаны с человеком. Это определяет исторический характер технического объекта. Он выступает воплощением знаний людей. Усиление, дополнение и замещение рабочих органов - социальная необходимость, реализуемая путем использования природы и воплощения в преобразуемых природных телах трудовых функций. Поэтому, есть основания считать, что существует ряд закономерностей элементов внутренней организации, структуры технических устройств и технических систем. 

     Эксплуатация, изготовление и конструирование тесно связаны друг с другом и представляют собой своеобразное развитие технической практики. В качестве объекта эксплуатации техника выступает как некоторая материальная и функциональная целостность, сохранение и регулирование которой - непременное условие ее использования. Движущим противоречием эксплуатации является несоответствие между условиями функционирования техники и ее функциональными особенностями. Функциональные особенности предполагают постоянство условий эксплуатации, а условия эксплуатации имеют тенденцию меняться. Преодоление этого противоречия достигается в технологии, в нахождении типовых технологических операций. Технологии - это обусловленные состоянием знаний способы достижения целей. Причем, достигая поставленной цели, человек одновременно достигает и множества других целей, многие из которых он не ставил. Внутренним противоречием технологии является несоответствие между используемыми природными процессами и потребностями в повышении надежности и эффективности техники. Преодоление этого противоречия достигается в конструировании более совершенной техники, с помощью которой можно использовать более фундаментальные закономерности природы. Техника не пассивна по отношению к технологии, средство влияет на цель. Новая техника изменяет технологию, технология сама становится средством реализации внутренних достоинств сконструированной техники. 

     Исторически возникновение и становление первых технических наук относят к концу XVIII века. Использование природных сил, овеществляемых в машинах, в качестве непременного условия требовало сознательного применения естествознания. Именно в силу этого впервые возникли такие практические проблемы, которые могли быть разрешены лишь научным путем, так появилась теория машин и механизмов. Современные технические науки по мере усложнения исследуемых ими технических систем, несущих сложные социальные функции, сближаются в известном плане с общественными науками. Появился раздел социально-технических знаний, который нацелен на исследование технических устройств с точки зрения технико-экономических, инженерно-психологических, технико-эстетических, эргономических, экологических и других социальных характеристик. Причина возникновения и развития техники заключена в противоречиях между целями (потребностями) и средствами для воплощения этих целей в деятельности человека. Любое разрешение противоречия требует каких-либо изменений: приспособление и развитие самого человека (прямохождение, развитие кисти, мозга), преобразование окружающей природной среды (сельскохозяйственное использование, животноводство, строительство сооружений), изменение общества (социальных структур, связей, функций и ориентиров) или "достраивание" (расширение функциональных возможностей) человека и общества путем создания искусственных технических "органов".

      Обратим свой взгляд на историю техники:
     - Первыми средствами воздействия на предметы труда были органы тела человека в процессе добывания и разделывания пищи, рытье ям, кладки стен из камней. Сооружения - самая простая форма орудий производства с пассивной функцией, они возникли в результате естественной жизни людей (тропинки, дороги), затем возводились целесообразно (строения, курганы, пирамиды).
     - Затем человек "удлинил", "усилил" свои органы тела с помощью различных естественных объектов, путем использования первых попавшихся под руку природных предметов. При строительстве своих жилищ (шалаши, землянки) человек использовал ветки, шкуры, кости, камни.
     - После чего наступил этап использования специально подобранных веществ и предметов для выполнения широкого класса функций (острая кость, палка, отщеп от камня). Это важный период: происходило уяснение меры соответствия свойств природных веществ целям труда.
     - Следующий этап - использование обработанных природных материалов с выделенной (усиленной) функцией. Начался подбор материалов к конкретным процессам труда. Так появились рубило, скребло, кожаные ремни, костяные плошки, кожаные мешки, корзины из лыка, веток, камыша. Смысл этого периода познание свойств материала и их использование для выполнения нужных функций.
     - Этап использования простейших орудий труда, специально изготовленных технических элементов, утвари, инвентаря. Эти орудия труда еще не были специализированными и применялись для любых целей: рычаг, ступка, каменные скребки, ножи. Способы обработки: рубка, пиление, шлифование. Главная особенность орудий труда - четко выделенная рабочая часть (зона), которая впоследствии превратится в рабочий орган. Технические элементы: рычаг, каток, ось, колесо. Утварь, инвентарь: посуда, жилище, плот, долбленая лодка, лыжи, сани. Началось ускорение специализации орудий труда за счет выделения и усиления одной полезной функции. Это привело к обособлению первого элемента технических систем - рабочего органа. С этого момента можно отсчитывать время существования техники, как феномена человеческого общества.
     - Этап использования инструментов - специализированных, а значит и более разнообразных, орудий труда. Инструменты возникли из моновещества с зонированными (четко выделенными) частями: зона рабочего органа (острие), зона трансмиссии (рукоятка). Цель появления инструментов - целенаправленное эффективное преобразование предметов труда (превращение природного материала или предмета в изделие). Так появились кремневые ножи, резцы, костяные иглы, сочлененные инструменты: резцы и ножи в оправе, стрела и копье с наконечником, серп - большой составной нож с каменными вкладными лезвиями. Первый настоящий составной инструмент - топор. Появление составных инструментов (дробление вещества на отдельные части и их стыковка иным способом) явилось важным шагом к началу структуризации объектов, появлению связей между элементами. Главная особенность этого процесса: расщепление (дробление) функции, с последующим подыскиванием и изобретением более эффективных способов выполнения этих частичных полезных функций, с получением дополнительного выигрыша в основной функции при соединении элементов в единое целое.
     - Этап использования технических систем - инструментов с двигателем. Это технические объекты, состоящие минимум из трех частей: рабочий орган, трансмиссия, двигатель. Четвертый элемент - орган управления чаще всего включает человека. Пятый элемент - источник энергии, им может быть человек, животное, природные силы, а также естественные и искусственные физические, химические или биологические процессы. 

     Каковы основные признаки технических систем?
     К ним можно отнести следующие:
     - системы состоят из частей, элементов, то есть имеют структуру;
     - элементы (части) системы имеют связи друг с другом, соединены определенным образом, организованы в пространстве и времени;
     - системы созданы для каких-то целей, то есть выполняют полезные функции;
     - каждая система в целом обладает каким-то особым качеством, неравным простой сумме свойств составляющих ее элементов, иначе пропадает смысл в создании системы (цельной, функционирующей, организованной). Это называют системным эффектом (качеством) данной системы. 

     ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА (ТС) - это структура, образованная взаимосвязанными элементами, предназначенная для выполнения определенных полезных функций. Функция - это способность ТС проявлять свое свойство (качество, полезность) при определенных условиях и преобразовывать предмет труда (изделие) в требуемую форму или величину Появление цели - это результат осознания потребности. Потребность (постановка задачи) - это то, что нужно иметь (сделать), а функция - реализация потребности в ТС. Возникновение потребностей, осознание цели и формулирование функции - это процессы, происходящие внутри человека. Но реально действующая функция - это воздействие на предмет труда (изделие) или служение человеку. То есть, не хватает промежуточного звена - рабочего органа. Это и есть носитель функции в чистом виде. Рабочий орган (РО) - единственная функционально полезная человеку часть технической системы. Все остальные части вспомогательные. ТС и возникали на первых этапах как рабочие органы (взамен органов тела и в дополнение им). И только потом, для увеличения полезной функции. к рабочему органу "пристраивались" другие части, подсистемы, вспомогательные системы.

Рисунок 1. Полная принципиальная схема работающей ТС.
Пунктиром обведен состав минимальной работоспособной ТС, обеспечивающий ее жизнеспособность. 

Соединение элементов в единое целое нужно для получения (образования, синтеза) полезной функции, т.е. для достижения поставленной цели. Составление структуры - это программирование системы, задание поведения ТС с целью получения в результате полезной функции. Требуемая функция и выбранный физический принцип ее осуществления определяют структуру. Структура - это совокупность элементов и связей между ними, которые определяются физическим принципом осуществления требуемой полезной функции. Структура, как правило, остается неизменной в процессе функционирования, то есть при изменении состояния, поведения, совершения операций и любых других действий. Следует различать два вида системных прибавок, получаемых при соединении элементов в структуру:
     - системный эффект - непропорционально большое усиление (уменьшение) свойств, имеющихся у элементов,
     - системное качество - появление нового свойства, которого не было ни у одного из элементов до включения их в систему.

      Каждая ТС может выполнять несколько функций, из которых только одна рабочая, ради которой она и существует, остальные - вспомогательные, сопутствующие, облегчающие выполнение главной. Определение главной полезной функции (ГПФ) иногда вызывает затруднение. Это объясняется множественностью требований, предъявляемых к данной системе со стороны выше и ниже лежащих систем, а также соседних, внешних и прочих систем. Отсюда кажущаяся бесконечность определений ГПФ (принципиальная неохватность всех свойств и связей). С учетом иерархичности функций, ГПФ данной системы - это выполнение требований первой вышестоящей системы. Все остальные требования, по мере удаления от иерархического уровня, от которого они исходят, оказывают все меньшее влияние на данную систему. Эти над и подсистемные требования могут быть выполнены и другими веществами и системами, не обязательно данной системой. То есть, ГПФ элемента определяется той системой, в которую он включается. 

     Чтобы точнее определить системный эффект (системное качество) данной ТС можно воспользоваться простым приемом: надо разделить систему на составные элементы и посмотреть, какое качество (какой эффект) исчезло. Например, отдельно ни одна из самолетных частей летать не может, как не может выполнить свою функцию и "усеченная" система самолет без крыла, оперения или управления. Это, кстати, убедительный способ доказательства, что все объекты в мире - системы: разделите уголь, сахар, иголку, - на каком этапе деления они перестают быть самими собой, теряют главные признаки? Все они отличаются друг от друга лишь продолжительностью процесса деления - иголка перестает быть иголкой при делении на две части, уголь и сахар - при делении до атома. По-видимому, так называемый диалектический закон перехода количественных изменений в качественные отражает лишь содержательную сторону более общего закона - закона образования системного эффекта (системного качества). 

     Элемент - относительно целая часть системы, обладающая некоторыми свойствами неисчезающими при отделении от системы. Однако в системе свойства элемента не равны свойствам отдельно взятого элемента. Сумма свойств элемента в системе может быть больше или меньше суммы его свойств вне системы. Иначе говоря, часть свойств элемента, включаемого в систему, гасится или к элементу добавляются новые свойства. В подавляющем большинстве случаев часть свойств элемента нейтрализуется в системе, в зависимости от величины этой части говорят о степени потери индивидуальности элемента включенного в систему. Элемент - минимальная единица системы, способная к выполнению некоторой элементарной функции. Все технические системы начинались с одного элемента, предназначенного для выполнения одной элементарной функции. Затем, по мере развития ТС идет дифференциация элемента, то есть разделение элемента на зоны с разными свойствами. Из моноструктуры элемента (камень, палка) начинают выделяться другие элементы. Например, при превращении каменного резца в нож выделились рабочая зона и зона ручки, а затем усиление специфических свойств каждой зоны потребовало применение разных материалов (составные инструменты). Из рабочего органа выделилась и развилась трансмиссия. 

      Связь - это отношение между элементами системы, это реальный физический (вещественный или полевой) канал для передачи энергии, вещества или информационных сигналов; причем сигналов нематериальных не бывает, это всегда энергия или вещество. Главное условие работы связи - "разность потенциалов" между элементами, то есть градиент поля или вещества (отклонение от термодинамического равновесия - принцип Онзагера). При градиенте возникает движущая сила, вызывающая поток энергии или вещества. Основные характеристики связи: физическая реализация и мощность. Физическая реализация - это вид вещества или поля, используемого в связи. Мощность - интенсивность потока вещества или энергии. Мощность связи должна быть больше мощности внесистемных связей, выше уровня шума внешней среды. 

     Иерархический принцип организации структуры возможен только в многоуровневых системах (это большой класс современных технических систем) и заключается в упорядочении взаимодействий между уровнями в порядке от высшего к нижнему. Каждый уровень выступает как управляющий по отношению ко всем нижележащим и как управляемый, подчиненный, по отношению к вышележащему. Каждый уровень специализируется также на выполнении определенной функции (ГПФ уровня). Абсолютно жестких иерархий не бывает, часть систем нижних уровней обладает меньшей или большей автономией по отношению к вышележащим уровням. В пределах уровня отношения элементов взаимно дополняют друг друга, им присущи черты самоорганизации (это закладывается при формировании структуры). Возникновение и развитие иерархических структур не случайно, так как это единственный путь увеличения эффективности, надежности и устойчивости в системах средней и высокой сложности. В простых системах иерархия не требуется, так как взаимодействие осуществляется по непосредственным связям между элементами. В сложных системах непосредственные взаимодействия между всеми элементами невозможны (требуется слишком много связей), поэтому непосредственные контакты сохраняются лишь между элементами одного уровня, а связи между уровнями резко сокращаются. 

     Основные свойства иерархических систем:
     1) Двойственность качеств элементов в системе - элемент одновременно обладает индивидуальными и системными качествами. Входя в систему элемент теряет свое исходное качество. Системное качество блокирует проявление собственных качеств элементов. Но полностью это не происходит никогда. Чем сложнее иерархическая структура (организация) системы, тем выше ее индивидуальные качества, тем четче они выступают в надсистеме, тем менее она связана с другими элементами (системами) надсистемы. На более низких уровнях происходит упрощение элементов (системам не нужны сложные объекты, нужна простая полезная функция). В результате этого объекты утрачивают свою самобытность, конкретную индивидуальность, становятся безразличными к своей вещественной индивидуальной форме. Утрата индивидуальности - это цена, заплаченная элементами за приобретенную ими способность выражать отдельные стороны системных связей в иерархии. (Как в обществе: человек на производстве не субъект, не неповторимая индивидуальность, не творец своих обстоятельств, он функция, объект, вещь).
     2) Диктат верхних уровней над нижними - основной порядок иерархии (аналог в обществе: единоначалие, авторитарное руководство). Самый нижний уровень иерархии - рабочий орган или его рабочая часть, зона, поверхность (в каждой подсистеме свой рабочий орган). Поэтому все управляющие воздействия (сигналы) и энергия обязательно доходят до рабочего органа, заставляя его функционировать строго определенным образом. В этом смысле РО самый подчиненный элемент системы. Напомним, что его роль при синтезе ТС прямо противоположна: он диктует структуру для выполнения ГПФ. Часто диктат верхних уровней простирается еще ниже рабочего органа; что находится ниже РО? - изделие. Технические системы ("для своего удобства") диктуют какие должны быть изделия. Это "стремление" техники изменить окружающую среду "под себя" ошибочно, оно свойственно лишь современной, во многом неуклюжей и грубой, техники. Особенно четко видно несоответствие (несогласованность) технических систем (стандартных) с природными объектами (нестандартными).
     3). Нечувствительность верхних этажей к изменениям на нижних и наоборот, чувствительность нижних к изменениям на верхних. Изменения на уровнях веществ и подсистем низшего ранга не отражаются на системном свойстве (качестве) ТС. Принцип телевидения был воплощен уже в первых механических системах. Новое системное свойство (передача изображения на расстояние) принципиально не изменилось при переходе на ламповые, транзисторные, микромодульные элементы. Увеличивалась ГПФ, но системное свойство принципиально не менялось. Главное для надсистемы - выполнение подсистемами своих функций, а на каких материалах и физических принципах - безразлично.
     4). Отфильтровывание (выделение) полезных функций на уровнях иерархии. Правильно организованная иерархическая структура выделяет на каждом этаже полезную функцию, эти функции складываются (взаимоусиливаются) на следующем этаже; при этом вредные функции на каждом этаже подавляются или, по крайней мере, к ним не добавляются новые. Основной вклад в ГПФ образуется на нижних этажах, начиная с рабочего органа. На последующих уровнях происходит более или менее существенное дополнение (усиление) полезной функции. С увеличением количества этажей рост ГПФ замедляется, поэтому системы с большим количеством иерархических уровней неэффективны (расходы начинают превышать выигрыш в ГПФ). Самый верхний уровень иерархии выполняет обычно только согласовательные функции, таких уровней не должно быть больше одного. 

     Типичный график истории жизни технической системы показан на рисунке 2 (S - образная кривая жизни ТС, впервые появившаяся в работах Г.Альтшуллера), где по оси абсцисс отсчитывается время , а по оси ординат - один из главных показателей системы (или интегральный показатель качества Р).

Рисунок 2. S - образная кривая жизни ТС. 

      Однажды возникнув в виде нового принципа осуществления целевой функции, новая ТС далеко не сразу находит массовое применение - идет период становления системы, разработка технологий, делающих новый принцип практически осуществимым. Быстрый рост начинается только с точки 1 и далее, до точки 2, система энергично развивается, сохраняя неизменным общий принцип. С какого-то момента (точка 2) темпы развития замедляются. Обычно это происходит после возникновения и обострения противоречий между данной системой и другими системами (с внешней средой). Некоторое время система продолжает развиваться, но темпы развития падают, система приближается к точке 3, за которой физические принципы, положенные в основу системы исчерпывают свои возможности. На смену системе А приходит система Б. При этом абсцисса точки 4 обычно близка к абсциссе точки 3. Теоретически рассуждая, систему Б нужно было бы развивать гораздо раньше - так, что бы точка 4 совпала по времени с точкой 2, но на практике этого не происходит. Старая система оттягивает на себя основные силы и средства, при этом действует мощная сила инерции финансовых интересов и узкопрофессиональных представлений. Новая система, в конечном счете, завоевывает себе место под солнцем, но только после того, как конфликты старой системы предельно обострятся. 

     Продолжение смотри - Техника и технические системы (часть 2)

На Главную