Техника и технические системы (часть 2)
Как практически синтезировать техническую систему (ТС)?
Обычно работу начинают с исследования потребности. Исследование потребности
состоит в том, что прежде, чем разрабатывать новую систему, необходимо
установить - нужна ли она? На этом этапе ставятся и решаются следующие вопросы:
удовлетворяет ли проект новую потребность, и удовлетворительны ли его
эффективность, стоимость, качество и др.? После чего переходят к решению
следующих вопросов:
- Во-первых, исходя из намеченных функций данной
системы, необходимо вычленить (провести границу) из внешней (более общей) среды,
назвав и определив ограничения и связи системы с внешней средой (окружением).
- Во-вторых, четко определить функцию системы и в
соответствии с ней проверить систему на полноту элементов, целостность, единство
с позиции ее функционирования, и в конечном счете - достижения желаемой цели.
Нет ли лишних, дублирующих, несовместимых либо недостающих элементов и связей
между ними.
- В-третьих, построить структуру системы, понимая при
этом, что функция системы может реализоваться различными структурами.
- В-четвертых, установить внутренние законы, по которым
система существует и развивается. При этом система должна пониматься
диалектически, т.е. в развитии и движении. Должна быть установлена связь законов
функционирования внутри системы с законами функционирования системного окружения
(среды и надсистемы).
Дерево функций системы представляет собой декомпозицию ее функции и служит основой для формирования системы. Выделяются функциональные модули. В структуре им соответствуют определенные конструктивные модули. Дерево противоречий системы отражает противоречия отдельных уровней функционально-структурной ее организации. На каждом уровне существуют противоречия между функциями и структурной организацией. Конструктивные модули определяют и организуют морфологическую структуру системы на основе ее функциональных модулей.
Главный ориентир в процессе синтеза системы -
получение будущего системного свойства (эффекта, качества). Выбор принципа
действия определяет структуру, поэтому их надо рассматривать вместе. Принцип
действия - это отражение цели-функции. По выбранному принципу действия можно
составить функциональную схему. Функциональная схема строится по принципу
причинности, так как любая ТС подчиняется этому принципу. Функционирование ТС
это цепочка действий-событий. Каждое событие в ТС имеет одну (или несколько)
причин и само является причиной последующих событий. Все начинается с причины,
поэтому важный момент - обеспечение "запуска" (включения) причины. Для этого
необходимо наличие следующих условий:
- обеспечить внешние условия, не препятствующие
проявлению действия,
- обеспечить внутренние условия, при которых
осуществляется событие (действие),
- обеспечить извне повод, толчок, "искру" для "запуска"
действия.
Главный смысл в выборе принципа действия - лучшее осуществление принципа
причинности. Надежный способ выстраивания цепочки действий - от конечного
события к начальному; конечное событие - это действие, полученное на рабочем
органе, то есть осуществление функции ТС.
Принцип полноты частей (закон полноты частей системы) может быть взят за основу при первом построении функциональной схемы. Возможна следующая последовательность шагов: Наиболее радикальный путь - идеализация ТС. Принцип дополнительности заключается в особом способе соединения элементов при включении их в систему. Элементы должны быть не только согласованы по форме и свойствам (для того, чтобы иметь принципиальную возможность взаимного соединения), но и дополнять друг друга, взаимно усиливаться, складывать полезные свойства и взаимно нейтрализовать вредные. Это основной механизм возникновения системного эффекта (качества) Главное требование к структуре - минимальные потери энергии и однозначность действия (исключение ошибки), то есть хорошая энергетическая проводимость и надежность причинно-следственной цепочки. При решении инженерных задач, после формулировки ФП (физического противоречия) возникают затруднения при переходе к физическому принципу. Возможно здесь поможет принцип причинности. ФП - это заказ, конечное действие, от него требуется выстроить цепочку причин-следствий до физического эффекта.
Форма - это внешнее проявление структуры ТС, а
структура - внутреннее содержание формы. Эти два понятия тесно взаимосвязаны.
Логика построения структуры в основном определяется внутренними принципами и
функциями системы. Форма в подавляющем большинстве случаев зависит от требований
надсистемы.
Основные требования к форме:
- функциональные (форма резьбы и т.п.),
- эргономические (рукоять инструмента, сиденье водителя
и т. п.),
- технологические (простота и удобство изготовления,
обработки, транспортировки),
- эксплуатационные (срок службы, прочность, стойкость,
удобство ремонта),
- эстетические (дизайн, красота, "приятность",
"теплота"...).
Процесс развития техники - это равнодействующая
сознательной человеческой деятельности, а человек действует в соответствии с
объективными законами мира (даже если и не догадывается об этом), то есть
развитие техники объективно и закономерно. Следовательно эти законы можно
познать и целенаправленно использовать. Это аксиома, лежащая в основе теории
развития технических систем (ТРТС). В общем смысле любая научная теория, как
система знаний, должна объяснять возникновение и функционирование, а также
предсказывать развитие каких-либо объектов (предметов, явлений, понятий)
действительности. Причем, эта система знаний обязательно должна поддаваться
экспериментальной, практической проверке. Все это уже сейчас присуще ТРТС и
многократно подтверждено в изобретательской и конструкторской практике. Основной
принцип ТРТС конкретизирован в законах, которые в свою очередь раскрываются и
детализируются в правилах их применения, в стандартах, принципах разрешения
противоречий, вепольном анализе и АРИЗе (алгоритме решения изобретательских
задач). Задача ТРТС - раскрытие закономерности синтеза, функционирования и
развития технических систем. Организация - важнейший элемент во всех трех
периодах существования системы. Организация возникает одновременно со
структурой. В сущности, организация это алгоритм совместного функционирования
элементов системы в пространстве и времени. Организация возникает, когда между
элементами возникают объективно закономерные, согласованные, устойчивые во
времени связи (отношения); при этом одни свойства (качества) элемента
выдвигаются на первый план (работают, реализуются, усиливаются), а другие
ограничиваются, гасятся, маскируются. Полезные свойства трансформируются в
процессе работы в функции - действия, поведение. Главное условие возникновения
организации - связи между элементами и/или их свойствами должны превышать по
мощности (силе) связи с несистемными элементами. Одно из важных свойств
организации - возможность управления, то есть изменения или поддержания
состояния элементов в процессе функционирования системы. Управление идет по
специальным связям и представляет собой последовательность команд во времени.
Управление по отклонению величины является наиболее распространенным способом.
Собственно говоря, все естественные науки занимаются
ничем иным, как изучением системных законов соединения частей в целое и законов
существования и развития этого целого. Накоплены огромные знания, раскрывающие
конкретные механизмы появления сверхкачеств (системных эффектов) в живой и
неживой природе - в химии, физике, биологии, геологии, астрономии и т.д. Законы
же развития технических систем, на которых базируются все основные механизмы
решения изобретательских задач, впервые сформулированы Г.Альтшуллером в книге
"Творчество как точная наука" 1979г. Он сформулировал три условия принципиальной
жизнеспособности технических систем:
1. Закон полноты частей системы. Необходимым условием
принципиальной жизнеспособности технических систем является наличие и
минимальная работоспособность основных частей системы. Полной техническая
система является в том случае, ели она имеет все необходимое для выполнения
своих функций без участия человека.
2. Закон "энергетической проводимости системы".
Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технических систем является
сквозной проход энергии по всем ее частям.
3. Закон согласования ритмики системы. Необходимым
условием принципиальной жизнеспособности технических систем является
согласования ритмики (частоты, колебаний периодичности) всех частей системы.
Среди законов развития технических систем есть законы, отличные от природных, и есть законы, представляющие измененные законы природы. Действительно, закон полноты системы выражает требования целостного (полного) набора элементов системы; закон энергетической проводимости - наличие необходимых связей между элементами системы (и внешней средой); закон согласования ритмики частей системы отражает функциональную обусловленность взаимодействия. Таким образом, получается, что в ранг законов развития технических систем (техники) возведены требования о том, чтобы они были системами. Иначе они не могут функционировать, развиваться, существовать. Иными словами, вместо трех рассматриваемых законов Г.С. Альтшуллера, можно назвать один, обобщающий их и включающий еще многие другие свойства и открывающий связь с законами материалистической диалектики, в частности, с системным подходом. Условием (законом) жизнеспособности технического объекта является то, чтобы он был системой, т.е. по определению системы должен обладать полным (целостным) набором элементов, функционально взаимосвязанных между собой для достижения желаемого результата.
Развитие систем с позиций системного подхода
(материалистической диалектики) происходит по спирали. Поэтому следующие законы
Г.Альтшуллера:
4. Развитие технических систем идет в направлении
увеличении степени идеальности систем. Существование технической системы не
самоцель. Система нужна только для выполнения какой-то функции (или нескольких
функций). Система идеальна, если ее нет, а функция осуществляется.
5. Развитие частей технической системы идет
неравномерно. Чем сложнее система, тем неравномернее идет развитие ее частей.
6. Исчерпав возможности своего развития, система
включается в надсистему (закон перехода в надсистему) в качестве одной из ее
частей: при этом дальнейшее ее развитие идет на уровне надсистемы.
Переход в надсистему моджет осуществляться по трем
основным путям:
- создание надсистем из однородных (одинаковых)
элементов (например, объединение электростанций в единое энергетическое кольцо).
- создание надсистем из конкурирующих (альтернативных)
систем (например, парусно-паровые корабли).
- создание надсистем из антагонистических систем
(например, кондиционер, как объединения холодильника с нагревателем).
Антагонистические системы, как правило, воспроизводят в своей структуре
предысторию своего развития.
7. Развитие технических систем идет в направлении
перехода от макроуровня (систем, состоящих из сложных подсистем, деталей сложной
формы) к микроуровню (системам, использующим физические эффекты, связанным со
строением материи), увеличению степени вепольности (взаимодействия вещества и
поля).
8. Закон повышения динамичности и управляемости
технических систем. характеризуют диалектические черты развития системы, но,
видимо, далеко не полностью. Нужно анализировать изменение потребностей, внешнюю
среду, учитывать комбинационный характер законов техники, их вторичность (и в
этом смысле относительность, релятивизм), развитие общества.
Законы были сгруппированы в три блока, условно названные: "статика" (законы 1-3), "кинематика" (4-6), "динамика"(7,8). Можно заметить определенную связь этих групп с моделью жизни, развития и смерти технических систем - S - образной кривой, которая была использована Г.Альтшуллером для иллюстрации эволюционных процессов в технике. Законы "статики" характерны для периода возникновения и формирования ТС, законы "кинематики" для периода начала роста и расцвета развития, законы "динамики" для завершающего этапа развития и перехода к новой системе. В дальнейшем, в книге "Найти идею" был сформулирован еще один закон из группы "кинематики": Закон увеличения степени динамичности систем. В этой же книге более подробно детализирован закон увеличения степени вепольности и изложен новый механизм закона перехода в надсистему - линия развития "моно-би-поли"; предпринята также попытка составления общей схемы развития ТС - на основе линии "моно-би-поли" и предположения, о ее спиралеобразной форме.
Любая теория - это лишь отражение (в той или иной
степени точности) многообразности, сложности и противоречивости реальных
процессов развития. В этом смысле процесс познания бесконечен и постоянное
выдвижение новых версий, гипотез и умозаключений - естественное состояние
развивающейся теории. Однако логика развития реальных систем - главный
ограничитель логико-теоретических построений; отсюда вытекает обязательность
практической проверки любых суждений и предположений.
Системные законы принято делить на четыре группы:
- законы структурообразования, формулирующие условия
возникновения структур;
- законы функционирования, объясняющие условия
возникновения и развития связей и организации;
- законы развития, объясняющие движущие силы и
механизмы преобразования систем через возникновение и разрешение противоречий;
- законы взаимодействия с другими системами, с
подсистемами и внешней средой.
Закон развития ТС - это существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между
элементами внутри системы и с внешней средой в процессе прогрессивного развития,
то есть перехода системы от одного состояния к другому с целью увеличения ее
полезной функции.
Единственный всеобъемлющий, качественный критерий прогрессивности изменений в развитии любой технической системы - идеальность. Повышение степени идеальности - ориентир в безбрежном море информации о техносфере. Главенствующая роль закона идеализации ТС видна во всех механизмах ТРИЗ (теории решения инженерных задач) и именно этот закон определяет наиболее общие тенденции развития техники. В сущности, все остальные законы являются конкретными воплощениями этого главного закона на разных стадиях развития ТС. Таким образом, есть основания говорить о волнообразном развитии техники. Возможно также предположение о некоторой степени симметрии в пределах одной волны: часть законов развития техники инверсны (обращаются в свою противоположность) в разные периоды развертывания и свертывания ТС.
Как оказалось, подобная по смыслу модель впервые предложена Н.Д.Кондратьевым (Большие циклы конъюнктуры. 1925г.) и была широко подхвачена за рубежом (с 20-х годов ее развивали такие известные ученые как австриец Й.Шумпетер, американец Дж.Форрестер и др.). Автор "теории больших циклов" в экономике был признан во всем мире выдающимся ученым, его авторитет подтверждается бесчисленным количеством ссылок на его работы, а сами циклы давно уже называются "циклами Кондратьева". Каждая волна или цикл Кондратьева, состоит из четырех фаз - восстановления, процветания, снижения и депрессии, - охватывающих одновременно все параметры научно-технического развития: появление идей, предпринимательская активность, рост квалификации специалистов и т.д. В последнее время к таким параметрам относят также психологические факторы (изменения в психологических установках, ценностных ориентациях, мотивации).
С точки зрения теории больших циклов можно выделить три
этапа жизни ТС.
I этап (зарождение) - от момента появления идеи,
замысла данной системы до начала ее массового применения. На этом этапе
происходит формирование ТС, это фаза восстановления цикла Кондратьева;
II этап (развитие) - от начала массового применения ТС
до практического исчерпания возможностей заложенных в основу ее работы
физических принципов. На этом этапе возникают и развиваются второстепенные,
обслуживающие подсистемы, происходит количественное изменение показателей ТС без
коренных изменений ее конструкции, затрагивающих принцип действия, это фаза
процветания цикла Кондратьева;
III этап характеризуется застоем - спад показателей и
продолжается вплоть до постепенной замены ТС новой, более прогрессивной. Это
фаза снижения цикла Кондратьева и заканчивается она фазой депрессии при
появлении новой ТС
Рисунок 3. Три этапа жизни технической системы в цикле Кондратьева.
Специфические периоды жизни технической системы:
1 - развертывание рабочего органа и набор полноты
частей системы,
2 - установление сквозного прохода энергии через все
части системы,
3 - согласование ритмики частей системы,
4 - саморегуляция с использование нелинейности свойств,
веществ, полей,
5 - изоляция частей системы, замыкание потоков энергии,
6 - свертывание в рабочий орган.
Развитие технических систем происходит примерно в
следующем порядке:
- от системы с постоянными параметрами к системам с
параметрами, изменяющимися при изменении режимов работы системы, что
обеспечивает оптимальность ее функционирования (самолет с изменяемой в
зависимости от режима полета геометрией крыла);
- от узкофункциональных систем, предназначенных для
выполнения конкретной цели, к широкофункциональным системам, позволяющим
изменять функции перестройкой;
- к системам с дифференцированными внутренними
условиями (например - требуемые технологией производства температура, давление,
газовый состав и др.) в то время, как условия на "входе" и "выходе" системы
определяются внешней средой и человеком (цехи с инертной атмосферой для
обработки сильно окисляющихся материалов);
- к системам с увеличением числа степеней свободы, к
системам гибким, эластичным (использование в судостроении эластичных покрытий
типа "Ламинфло", позволяющих значительно увеличивать скорость корабля);
- к системам с изменяющимися связями между элементами,
в том числе: с заменой вещественных связей полевыми (дистанционное
радиоуправление); с использованием вещественных связей, изменяющихся под
воздействием поля (электромагнитное перемешивание при непрерывной разливке
стали);
- от систем со статической устойчивостью к устойчивым
динамическим, т.е. только за счет управления (от 3-колесного велосипеда к
2-колесному);
- к использованию самопрограммирующихся, самообучающихся,
самовосстанавливающихся систем.
Основным источником развития антропогенных систем является борьба диалектических противоположностей - "многофункциональность" и "специализация". Баланс и гармония во всем - характерные черты совершенства функционально-структурной организации систем. Принцип многофункциональности систем устанавливает взаимосвязь изменения функции и структуры многоуровневых систем в процессе их развития, а также определяет основные тенденции и этапы развития антропогенных систем. Анализ эволюции антропогенных систем показывает, что по мере развития систем, усложнения и расширения реализуемых ими функций, наиболее эффективными и жизнеспособными являются системы, в которых расширение функциональных возможностей элементов находится на различных уровнях иерархии системы, опережает рост их сложности. Закономерность адекватности структурной организации назначению системы подразумевает, что максимальное соответствие структуры реализуемым функциям обеспечивает максимальную эффективность системы.
Принципы, лежащие в основе развития ТС.
Принцип наименьшего действия. Суть его в том, что
развитие системы идет в направлении уменьшения количественных характеристик их
противоречия. Возникновение новой антропогенной системы подчиняется в каждый
момент времени принципу наименьшего действия. Движение к равновесию происходит
по пути наименьшего сопротивления, более "выгодного", с минимальными
отклонениями от оптимального пути.
Принцип конструктивной эволюции. Любой технический
объект при ретроспективном рассмотрении его развития является звеном цепи
конструктивных изменений, в котором изобретателю первого (начального)
технического решения обязательно предшествовало появление (изобретение) новой
функции.
Принцип инерции в сфере производства. Этот принцип
проявляется в следующем. Производство серийно выпускаемых технических средств
увеличивается от нуля по восходящей кривой сначала с отставанием от спроса,
затем достигает максимума (перепроизводства), после чего происходит снижение
производства до стабилизированного уровня или же до нуля в случае появления
лучшего технического решения для выполнения этой же функции.
ХХ век проходил под знаком всё расширяющегося использования техники в самых различных областях социальной жизни. Техника всё активнее применяется в различных сферах управления. Она реально воздействует на выбор тех или иных путей социального развития. Эту функцию техники иногда характеризуют как превращение её в социальную силу. При этом усиливаются влияние техники и на мировоззрение человека, а это уже область философии. Так Гегель в "Реальной философии" и "Философии права" связал возникновение машины с разделением труда, дал первый философский анализ орудийного отношения человека к природе. В повороте философии к технике большую роль сыграли труды К. Маркса, который дал не только экономический анализ роли машины в создании капитализма, но и показал разрушительное воздействие машинного способа производства на рабочего. Философия техники исследует феномен техники в целом, а так же место техники в общественном развитии в широкой исторической перспективе. Современная философия техники показывает, что сама техническая рациональность исторически развивается, и что доминирующие установки технического сознания могут изменяться в зависимости от типа исследуемых объектов и под влиянием изменений в культуре, в которые техника так же вносит свой специфический вклад. Многие исследователи в области философии всерьез заинтересованы такими проблемами как социальные последствия технического развития, этические проблемы и особенности современной технотронной эры, формирование системы ценностей в индустриальном и постиндустриальном обществе, техническое образование, воспитание, взаимодействие общества и техники. Сегодня эти проблемы затрагивают интересы всего человечества. Причем опасность заключается не только в необратимых изменениях природной среды: прямое следствие этих процессов - изменение самого человека, его сознания, восприятия мира, его ценностных ориентаций и т. д.
Несомненно одно: техника направлена на то, чтобы в ходе преобразования всей трудовой деятельности человека, преобразовать и самого человека. Человек уже не может освободиться от воздействия созданной им техники. И совершенно очевидно, что в технике заключены не только безграничные возможности, но и безграничные опасности. В качестве аналогии возьмем открытие первобытными людьми огня: оно так же таит в себе огромные возможности и огромную опасность. Развитие техники в современном мире все более остро проявляет двойственный характер ее достижений. С одной стороны без техники просто невозможно представить развитие человечества, а с другой техника - мощная сила, способная вызвать самые негативные, даже трагические последствия. Не продуманное развитие техники приводит к тому, что успехи технического прогресса обычно оборачиваются сложными социальными проблемами. Заменяя рабочую силу человека, на производстве, приводя тем самым к повышению производительности, техника обостряет проблемы занятости и безработицы; жилищный комфорт приводит сегодня к нежелательной разобщенности людей; достигнутая с помощью личного транспорта мобильность покупается ценой шумовой нагрузки, неуютных, обезличенных городов, загубленной природы и т. д.
На протяжении веков научная и техническая деятельность считались морально нейтральными. Сегодня мы уже не можем пренебрегать этическим контекстом деятельности ученого или инженера. Человечество все больше оказывается зависимым от последствий технического развития. В этой связи управление техническим прогрессом, его сдерживание, регулирование, оценка результатов оказываются сегодня не только инженерной, государственной, управленческой, но и этической проблемой. Современная техника достигла такого уровня развития, обрела столь мощное влияние в мире, что можно говорить об определенной самостоятельности техники, о способности действовать, направлять развитие общества, формировать мировоззрение. Сейчас уже трудно понять: техника служит человеку, или человек - технике. Совершенствуя технику, человек сам подпадает под ее власть. И чем точнее, чем совершеннее технические средства, тем больше нуждается в них человек, и подчиняет им свое существование, что, в свою очередь, ограничивает его свободу и достоинства. Одно во всяком случае очевидно: техника только средство, сама по себе она не хороша и не дурна. Все зависит от того, что из нее сделает человек, чему она служит, в какие условия он ее ставит. Весь вопрос в том, что за человек подчинит ее себе, каким проявит он себя с ее помощью.