Законы и закономерности развития систем. ТРИЗ. Изд. 2-е, испр. и дополненное
3. Принцип технологичности. «…новая конструкция должна быть такой, чтобы ее можно было изготовить при помощи существующих средств производства и на основе имеющихся навыков производства, как исходных моментов дальнейшего технического прогресса».
4. Эффективное функционирование техники. «Законы техники являются также законами эффективного функционирования технических средств достижения общественных и личных целей… Если общественная ценность трудовых, материальных и энергетических затрат на создание и функционирование техники превосходит общественную ценность результатов ее применения в качестве искусственного материального средства целеосуществления, то данная техники малоэффективна и общество нуждается в другой технике, удовлетворяющей требованиям и принципам эффективности техники».
5. Соответствие экономическим возможностям общества. «Законы техники имеют еще один общий момент, выражаемый принципом соответствия техники экономическим возможностям общества на данной ступени его развития».
А. И. Половинкин сформулировал требования, которым должны удовлетворять законы техники20:
1. Формулировка закона техники должна быть по форме лаконичной, простой, изящной, а по содержанию отвечать данным выше определениям закона.
2. Формулировка закона техники должна быть обобщенной и отражать очень большое число известных и возможных факторов. Иначе говоря, закон должен допускать эмпирическую проверку на существующих или специально полученных факторах, имеющих количественную или качественную форму. При этом формулировка закона должна быть настолько четкой, что два человека, независимо подбирающие и обрабатывающие фактический материал, должны получить одинаковые результаты проверки.
3. Формулировка закона техники должна не только констатировать: «что?, где?, когда?» происходит (то есть упорядочить и сжато описать факты), но еще, по возможности, дать ответ на вопрос «почему?» так происходит. В связи с этим заметим, что в науке немало существовало и существует эмпирических законов, которые не отвечают на вопрос «почему?» или отвечают на него частично. И, по-видимому, почти нет научных законов (в виду локального характера их действия), которые отвечают на вопрос «почему?». На все вопросы обычно отвечает теория, опирающаяся на несколько законов.
4. Формулировка закона техники должна быть автономно независимой, то есть к законам будем относить такие обобщенные высказывания, которые не могут быть логически выведены из других законов техники. Выводимые обобщения будем относить к закономерностям техники.
5. Формулировка закона техники должна учитывать взаимосвязи: «техника – предмет труда», «человек – техника», «техника – природа», «техника – общество».
6. Формулировка закона техники должна иметь предсказательную функцию, то есть предсказывать новые неизвестные факты, которые могут быть более или менее очевидными, а иногда необычными, парадоксальными.
7. Формулировка всех законов техники должна иметь четко определенную единую понятийную основу.
1.2. Система
1.2.1. Общие понятия
В данной книге будем рассматривать законы и закономерности развития систем21. В связи с этим дадим определение системы и некоторых понятий, связанных с ней.
Система22 (от лат. systēma, от греч. σύστημα, «составленный», целое, составленное из частей; соединение) – множество элементов, взаимосвязанных и взаимодействующих между собой, которые образуют единое целое, обладающее свойствами, не присущими составляющим его элементам, взятым в отдельности.
Такое свойство называют системным эффектом или эмерджентностью.
Эмерджентность (от англ. Emergent — возникающий, неожиданно появляющийся) в теории систем — наличие у какой-либо системы особых свойств, не присущих ее подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не связанных особыми системообразующими связями; несводимость свойств системы к сумме свойств ее компонентов; синоним — «системный эффект».23
Часто такое свойство так же называют синергетическим эффектом (от греч. συνεργός – вместе действующий) — возрастание эффективности деятельности в результате интеграции, слияния отдельных частей в единую систему за счет так называемого системного эффекта24.
Например, обмен вещами не приводит к синергетическому эффекту, так как их остается тоже количество. Обмен идеями приводит к синергетическому эффекту, так как в результате у одного человека идей становится больше.
Синерги́я (греч. Συνεργία — сотрудничество, содействие, помощь, соучастие, сообщничество; от греч. Σύν — вместе, греч. ἔργον — дело, труд, работа, действие) — суммирующий эффект взаимодействия двух или более факторов, характеризующийся тем, что их действие существенно превосходит эффект каждого отдельного компонента в виде их простой суммы25.
Уточнение понятия, что считать системой, инструментом и машиной будет дано в главе 4 (п. 4.3.2).
1.2.2. Дополнительные понятия
Целостность26 – характеристика системы, выражающая автономность и единство системы, противостоящей окружению. Она связана с функционированием системы и присущими ей закономерностями развития.
Целостность не абсолютное, а относительное понятие, поскольку система имеет множество связей с окружающими объектами и внешней средой и существует лишь в единстве с ними.
Свойство27– сторона (атрибут) системы. Оно определяет различие или общность предмета с другими предметами.
Свойство обнаруживается в отношении подсистем в системе, поэтому всякое свойство относительно. Свойства существуют объективно, независимо от человеческого сознания.
Отношение28 – взаимосвязь, взаимозависимость и соотношение элементов системы. Это мысленное сопоставление различных объектов и их сторон.
Пример 1.1. Предложение (в языке)
Предложение состоит из слов и способа построения предложения – грамматики.
Ни один из этих элементов не обладает свойством выразить мысль. Соединенные в единую систему – предложение, приобрел новое свойство – мысль – системный эффект.
Предложение – целостно. Оно автономно и имеет свои закономерности развития – развитие грамматики.
В предложении показана взаимосвязь отдельных слов, их свойства, обнаруживаемые в их отношении друг к другу.
1.2.3. Иерархия систем
Системам свойственно понятие иерархии.
Иерархия систем:
– собственно система;
– ее подсистемы;
– • надсистема;
– внешняя среда.
Подсистема – составные части системы.
Надсистема – это объект, куда входит система в качестве подсистемы.
Иерархия может иметь более высокие ранги, например, наднадсистема и более низкие ранги, например, подподсистема.
Наднадсистема – это объект, куда входит надсистема, а подподсистема – это элементы, из которых состоит подсистема. Количество рангов может быть достаточно большое.
Пример 1.2. Компьютер
Система – персональный компьютер.
Подсистемы: системный блок и устройства ввода – вывода (например, клавиатура, мышь, монитор, принтер, сканер, камера и т. п.).
Подподсистемы системного блока – это процессор, материнская плата, видеокарта, оперативная память, жесткий диск, дисковод, звуковая карта, сетевая карта, блок питания и т. д.
Надсистема – компьютерные сети и т. д.
Наднадсистема – это всемирная паутина, Интернет.
Внешняя среда – это среда, в которой находится компьютер, например, помещение, воздух и т. д.
Пример 1.3. Телефон
Система – телефон.
Подсистемы: микрофон и наушник, клавиатура, дисплей, память и т. п.
Подподсистемы – это элементы, из которых состоят микрофон и наушник, клавиатура, дисплей, память и т. д.
Надсистема – АТС, телефонные сети и т. д.
Наднадсистема АТС – это региональная и мировая телефонная сеть.
Внешняя среда – чаще всего – помещение и воздух.
Пример 1.4. Автомобиль
Система – автомобиль.
Подсистемы: колеса, двигатель, бензобак, система управления и т. п.
Подподсистемы двигателя – это поршень и цилиндр, шатун, свеча, клапаны, коленчатый вал, картер и т. д.
Надсистема – дорожное движение, к которой относятся: дороги, автозаправочные станции, автостоянки, система управления движением, гаражи, ремонтные службы, заводы изготовители и т. д.
Наднадсистема – это региональная и мировая сеть дорожного движения.
Внешняя среда – открытое пространство и атмосферные явления.
1.2.4. Искусственные системы
Искусственные системы также называют антропогенные системы.
Антропогенная система29 (от греч. anthropos – человек, genesis – происхождение, становление развивающегося явления) – система, созданная в результате сознательно направленной человеческой деятельности.
Пример 1.5. Антропогенные системы
Это широкий класс систем, созданных человеком: язык, понятия, мысли, знания, наука, литература и искусство, социальные группы (племена, сообщества, государства и т. д.), сельскохозяйственные системы, искусственно созданные объекты фауны и флоры (генная инженерия, биотехнологии и т. п.), технические системы и т. д.
Основное внимание будет уделено рассмотрению одного класса антропогенных систем – технических систем.
Техническая система (ТС) – это система, создающаяся с конкретной целью для удовлетворения определенной потребности. Она выполняет функцию, осуществляя процесс, основанный на определенном принципе действия.
ТС имеет определенную структуру и потоки.
Примечание. Техническая система может включать, как искусственные, так и природные элементы.
В качестве примеров технических систем можно назвать: самолет, автомобиль, кондиционер, телефон, телевизор, компьютер, Интернет и т. д.
Пример 1.6. Самолет
Самолет состоит из крыльев, фюзеляжа, двигателя, шасси и т. д.
Ни один из этих элементов не обладает свойством летать. Соединенные в единую систему – самолет приобрел новое свойство – летать – системный эффект.
Пример 1.7. Телефон
Телефон состоит из микрофона, наушника, клавиатуры, дисплея, памяти и т. п.
Ни один из этих элементов не обладает свойством передавать звук на расстояние. Соединенные в единую систему – телефон приобрел новое свойство – передавать звук на расстояние – системный эффект.
Пример 1.8. Алгоритм
Алгоритм – это определенный порядок выполнения различных операций, приводящий к конкретному результату.
Алгоритм состоит из отдельных операций, выполняемых в определенном порядке.
Каждая из операций и порядок их выполнения в отдельности не приведут к необходимому результату. Соединенные в единую систему – алгоритм приобрел новое свойство – конкретный результат – системный эффект.
1.3. Потребность
Потребность– нужда в чем-либо, необходимом для поддержания жизнедеятельности индивида, социальной группы, общества, внутренний побудитель активности30.
1.4. Принцип действия
Принцип действия – это способ выполнения главной функции системы.
1.5. Функция
1.5.1. Определение
Функция (от лат. functio – совершение, исполнение) – процесс воздействия субъекта на объект, имеющий определенный результат.
Кроме того, функцию определяют и как «внешнее проявление свойств какого-либо объекта в данной системе отношений»31.
В дальнейшем будем использовать более краткую формулировку функции.
Функция – это действие субъекта на объект, приводящее к определенному результату (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Функция
Результатом действия может быть изменение параметра объекта или его сохранение.
Функция записывается в виде глагола.
Пример 1.9. Самолет
Самолет перевозит (перемещает) пассажиров. Самолет – субъект, перевозит – функция, пассажиры – объект. Перевозить – это значит изменять объект.
Пример 1.10. Кофе
Чашка удерживает кофе. Чашка – субъект, удерживает – функция, кофе – объект. Удерживать – это значит сохранять объект.
Пример 1.11. Компьютер
Компьютер обрабатывает информацию. Компьютер – субъект, обрабатывает – функция, информация – объект. Обрабатывать – это значит изменять объект (информацию).
Пример 1.12. Компьютерная память
Память запоминает информацию. Память – субъект, запоминает – функция, информация – объект. Запоминать – это значит сохранять объект (информацию).
1.5.2. Классификация функций
Функции можно классифицировать по:
– полезности,
– степени их выполнения:
Опишем классификацию функций по:
1. Полезности:
– полезные;
– бесполезные;
– вредные.
2. Степени выполнения полезных функций:
– достаточные;
– избыточные;
– недостаточные.
Полезная функция – функция, обеспечивающая работоспособность системы.
Бесполезная функция – функция, не создающая работоспособность системы. Иногда такие функции называют лишними.
Вредная функция – функция, создающая нежелательный эффект.
Достаточная функция – функция, создающая необходимое (достаточное) действие.
Избыточная функция – функция, создающая избыточное действие.
Недостаточная функция – функция, создающая недостаточное действие.
Пример 1.13. Холодильник
Функция холодильника – охлаждать продукт, например, мясо.
Бесполезная функция для потребителя – нагрев задней части холодильника, но она необходима для принципа действия холодильника. Потребителю этот нагрев не нужен.
Вредная функция холодильника – шум компрессора.
Достаточная функция холодильника – нормальное охлаждение до заданной температуры.
Избыточная функция холодильника – это избыточное охлаждение (переохлаждение) – ниже требуемой температуры.
Недостаточная функция холодильника – недостаточное охлаждение – выше требуемой температуры.
Пример 1.14. Газовая плита
Функция газовой плиты – греть объект, например, воду или мясо.
Бесполезная функция газовой плиты – нагрев окружающей среды (лишний расход тепла).
Вредная функция газовой плиты – утечка газа.
Достаточная функция газовой плиты – нормальный нагрев объекта до заданной температуры.
Избыточная функция газовой плиты – избыточный нагрев объекта, например, вода выкипела, мясо сгорело.
Недостаточная функция газовой плиты – слабый огонь, например, недостаточный для закипания воды.
Пример 1.15. Компьютер
Функция компьютера – обрабатывать информацию.
Бесполезная функция – затраты энергии, когда на компьютере не работают, а он включен. Компьютер должен работать только тогда, когда вводится, обрабатывается и выводится информация. Во все остальное время компьютер впустую расходует энергию.
Вредные функции компьютера – электромагнитное излучение от компьютера и Wi-Fi, шум от вентилятора.
Достаточная функция компьютера – его нормальная работа.
Недостаточная функция компьютера – когда происходит долгая обработка информации, например, при скачивании информации из Интернета.
Пример 1.16. Телефон
Функция телефона – передавать звуковой сигнал, например, речь.
Бесполезная функция. Если телефон включен, а по нему не говорят – бесполезная функция. Телефон должен работать только тогда, когда передается сигнал. Во все остальное время телефон впустую расходует энергию. В любые перерывы сигнала телефон должен отключаться и включаться с появлением сигнала.
Вредная функция. Электромагнитное излучение, возникающее при разговоре по мобильному телефону, вредно воздействует на окружающую аппаратуру, поэтому в самолетах и в больницах не разрешается разговаривать по мобильному телефону. Антенны ретрансляторов мобильной связи вредно воздействуют на окружающих.
Достаточная функция телефона – когда телефон работает нормально.
Избыточная функция телефона – когда звук передается слишком сильно, и он искажается.
Недостаточная функция телефона – когда сигнал плохо слышен.
Пример 1.17. Автомобиль
Функция автомобиля – перемещать людей.
Бесполезная функция автомобиля – затраты энергии, когда автомобиль стоит, а двигатель работает, например, на светофоре.
Вредные функции автомобиля – выбрасывание в атмосферу выхлопных газов, загрязняя окружающую среду.
Достаточная функция – нормальная работа автомобиля.
Избыточная функция. Автомобиль рассчитан на скорость движения, значительно превышающую допустимую скорость.
Недостаточная функция – это, когда автомобиль не можем выбраться из заноса снега, грязи или преодолеть очень крутой подъем.
1.5.3. Иерархия функций
Иерархия функций:
– главная функция;
– основная функция;
– вспомогательная функция.
Можно рассматривать и функции 3-го и ниже рангов.
Иерархия функций показана на графе (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Иерархия функций
Главная функция – это функция высшего (нулевого) ранга, указывающая главное действие – предназначение системы. Она должна выполнять главную цель, обеспечивая главную потребность в системе. Ее еще называют главной полезной функцией.
Основные функции – это функции следующего (первого) ранга, функции основных подсистем. Основные функции обеспечивают работоспособность главной функции, а, следовательно, и всей системы в целом.
Вспомогательные функции – это функции второго ранга, функции подподсистем. Вспомогательные функции обеспечивают работоспособность основных функций. Функции низших (n) рангов, прежде всего, должны обеспечивать работоспособность функций высших (n-1) рангов.
Функции, обеспечивающие работоспособность, будем называть необходимыми функциями. Функциональная работоспособность системы определяется набором необходимых функций всех рангов, который должен быть необходимым и достаточным, и в то же время обеспечивать функциональную полноту.
Пример 1.18. Компьютер
Главная функция – обработка информации (компьютер обрабатывает информацию).
Основные функции: системного блока – прием, обработка, хранение и вывод цифровых (электрических) сигналов, клавиатуры – ввод цифровой и буквенной информации, монитора – вывод информации на экран и т. д.
Вспомогательная функция части системного блока, блока питания, – обеспечение электрической энергией.
Пример 1.19. Телефон
Главная функция – передача звукового сигнала, например, речи.
Основные функции: микрофона – преобразование звукового сигнала в электрический, наушника – преобразование электрического сигнала в звуковой, клавиатуры – вводить цифровую и буквенную информацию и т. д.
Вспомогательная функция кнопки клавиатуры – ввод конкретного знака.
Пример 1.20. Автомобиль
Главная функция – перевозка (перемещение) людей.
Основные функции: бензобака – хранение (удержание) бензина, двигателя – преобразование бензина в поступательное движение, трансмиссии – преобразование поступательного во вращательное движение и т. д.
Вспомогательная функция частей двигателя: поршня и цилиндра – сжатие бензина (создание давления).
1.6. Процесс
Процесс (от лат. processus – продвижение) – это состояние какого-либо явления во времени.
Процесс можно определить, как32:
1. последовательную смену состояний стадий развития.
2. совокупность последовательных действий для достижения какого-либо результата (например, производственный потребности – последовательная смена трудовых операций).
Для технических систем мы в основном будем рассматривать второе определение. Первое определение характерно для развития систем.
Пример 1.21. Приготовление кофе
Операция 1 – измельчение зерен кофе. Операция 2 – молотый кофе засыпается в турку. Операция 3 – турка заливается водой. Операция 4 – турку ставят на огонь или помещают в разогретый песок. Операция 5 – ждут пока поднимется пенка. Операция 6 – турку снимают с огня. Операция 7 – ждут, пока пенка опустится. Операции 5—7 повторяются несколько раз.
Пример 1.22. Компьютерная программа
Любая компьютерная программа работает по определенному алгоритму – порядку действий. Таким образом, компьютерная программа осуществляет процесс.
Пример 1.23. Алгоритм Евклида
В качестве процесса представим алгоритм Евклида – метод вычисления наибольшего общего делителя (НОД). Это один из древнейших алгоритмов, который используется до сих пор.
Наибольший общий делитель (НОД) – это число, которое делит без остатка два числа и делится само без остатка на любой другой делитель данных двух чисел. Проще говоря, это самое большое число, на которое можно без остатка разделить два числа, для которых ищется НОД.
Описание алгоритма нахождения НОД делением.
1. Большое число делим на меньшее.
2. Если длится без остатка, то меньшее число и есть НОД (следует выйти из цикла).