Законы и закономерности развития систем. ТРИЗ. Изд. 2-е, испр. и дополненное

1.7. Структура

Структура (от лат. Structūra – «строение») – это внутреннее устройство системы. Она создается элементами и связями между ними.

1.7.1. Связи

Связи могут быть внутренние и внешние.

Внутренние связи – связи между элементами системы (подсистемами).

Внешние связи – связи системы с надсистемой и окружающей средой и обратное воздействие окружающей среды и надсистемы на систему. Одна из надсистем – это объект, для которого предназначена система. Эта связь обеспечивает главную функцию системы.

1.7.2. Элементы

Элементы и связи могут быть:

– вещественные;

– энергетические;

– информационные.

Внутренние связи

Пример 1.25. Телефон

Корпус телефона обеспечивает внутренние связи. Он обеспечивает вещественные (механические) связи отдельных элементов телефона. Проводами обеспечиваются энергетические и информационные связи.

Пример 1.26 Автомобиль

Корпус автомобиля обеспечивает внутренние вещественные связи. Трубопроводы и провода обеспечивают энергетические связи. Информационные связи обеспечиваются проводами от системы управления и к ней или бесконтактно, например, открывание дверей.

Внешние связи

Пример 1.27. Телефон

Внешние связи у телефона осуществляются по проводам или бесконтактно у радиотелефона и у мобильных телефонов.

Пример 1.28. Автомобиль

Внешняя связь у автомобиля – например, трение шин автопокрышек о дорогу.

Работа системы осуществляется вследствие прохождения потоков:

– вещества.

– энергии.

– информации.

1.8. Поток

1.8.1. Классификация потоков

Работа системы осуществляется вследствие прохождения потоков.

Потоки также как и функции можно классифицировать по:

– виду потоков;

– оценка потоков.

Вид потока:

– вещество;

– энергия;

– информация.

Потоки вещества могут быть:

– твердые;

– гелеобразные;

– жидкие;

– газообразные;

– смешанные.

В свою очередь твердые потоки могут быть:

– монолитными;

– в виде отдельных частиц (порошок).

К потокам вещества относятся и все виды транспортных систем.

Потоки вещества

Пример 1.29. Поток автомобилей

Поток твердого монолитного вещества.

Пример 1.30. Поток масла

Поток жидкого вещества.

Пример 1.31. Поток сжатого газа

Поток сжатого газа для автоматической подкачки шин – это поток газа.

Потоками энергии могут служить все виды электромагнитных излучений (в том числе электрические, оптические и магнитные), потоки сыпучих, жидких и газообразных веществ, химические реакции и т. д.

Потоки энергии

Пример 1.32. Телефон

Поток электроэнергии по проводам.

Пример 1.33. Автомобиль

Поток жидкого топлива. Это же и поток вещества в жидком состоянии.

Поток электроэнергии по проводам.

Потоки информации – это совокупность передаваемой информации между двумя и более взаимодействующими объектами, все виды СМИ: печатные материалы, Интернет, радио, телевидение и т. д.

Потоки информации

Пример 1.34. Телефон

Поток электрических и звуковых сигналов.

Пример 1.35. Автомобиль

Поток сигналов управления и сигналов от датчиков.

Потоки могут быть организованные и неорганизованные.

К организованным потокам относятся потоки, созданные человеком или другими живыми существами, например, дороги, трубопроводы, электрические и оптические кабели и т. д. Примером потоков, созданных другими живыми существами, могут служить муравьиные потоки, поток перелетных птиц, поток рыб и т. д.

К неорганизованным потокам можно отнести любые случайные потоки, например, потоки ветра, движение волн в море, случайные излучения и т. д.

Потоки могут быть управляемые и неуправляемые.

Управлять потоками можно видоизменяя их и не видоизменяя (обрабатывать и не обрабатывать):

– ускорять и замелять;

– усиливать и ослаблять;

– пропускать и не пропускать;

– изменять или не изменять (даже стабилизировать) любые параметры потока.

Это могут быть дамбы на реках, усилители в электрических цепях, модуляторы и демодуляторы, цифровая обработка сигнала и т. д.

Потоки осуществляют взаимодействия и выполняют работу.

Кроме того, потоки могут быть внутренние и внешние.

Внутренние потоки осуществляют воздействия одного элемента системы на другой или их взаимодействие по организованным связям между ними.

Внешние потоки осуществляют взаимодействие системы с надсистемой, окружающей средой и обратное влияние надсистемы и окружающей среды на систему.

Отсутствие учета таких влияний может не только отрицательно сказаться на работоспособности системы, но и вредно влиять на внешнюю среду.

Пример 1.36. Кондиционер

Кондиционер, с помощью вентилятора, создает управляемый поток воздуха (управлять можно силой и температурой). Это внешний управляемый поток вещества.

Поток фреона – это внутренний поток вещества.

Электричество, подводимое извне, к блоку питания кондиционера – это внешний поток энергии. Потоки энергии от блока питания – это внутренние поток энергии, подводимые к компрессору, вентилятору и блоку управления.

Сигналы, поступающие от датчиков и подающие на компрессор и двигатель вентилятора и другие блоки – это внутренние потоки информации. Инфракрасный сигнал от пульта управления – это внешний поток информации.

Пример 1.37. Компьютер

В компьютер поступает поток внешней информации. Компьютер обрабатывает эту информацию. Это внутренний информационный поток. Компьютер выдает результаты обработанной информации на внешние устройства, например, на монитор – это внешний информационный поток.

1.8.2. Оценка потоков

Оценку потоков можно проводить по:

– Полезности;

– Степени их выполнения.

Опишем оценку потока:

1. По полезности:

– полезный;

– бесполезный;

– вредный;

– полезный и вредный.

2. По степени выполнения полезности потока:

– достаточный;

– избыточный;

– недостаточный.

Полезный поток – поток, обеспечивающий работоспособность системы.

Бесполезный поток – поток, не создающий работоспособность системы. Иногда такие потоки называют лишними.

Вредный поток – поток, создающий нежелательный эффект.

Достаточный поток – поток, создающий необходимое (достаточное) действие.

Избыточный поток – поток, создающий избыточное действие.

Недостаточный функция – функция, создающая недостаточное действие.

Полезный и вредный поток – поток, обеспечивающий работоспособность системы и создающий нежелательный эффект вместе.

Пример 1.38. Холодильник

Бесполезный поток для потребителя – поток тепла от испарителя (задней части холодильника).

Вредный поток холодильника – поток (акустический) шума компрессора.

Достаточный поток холодильника – нормальный поток холодного воздуха внутри холодильника. Избыточный поток холодильника – это избыточный поток холодного воздуха (переохлаждение) – ниже требуемой температуры.

Недостаточный поток холодильника – недостаточный поток холодного воздуха, не позволяющий создать требуемую температуру.

Пример 1.39. Компьютер

Бесполезный поток – поток энергии, когда на компьютере не работают, а он включен. Поток электроэнергии в компьютере должен быть только тогда, когда вводится, обрабатывается и выводится информация. В остальное время компьютер впустую расходует энергию. Кроме того, поток энергии должен подаваться только к тем частям, которые в данный момент работают.

Вредный поток компьютера – поток электромагнитного излучения от компьютера и Wi-Fi, поток шума от вентилятора.

Достаточный поток – поток электроэнергии и информации, необходимый для нормальной работы компьютера.

Недостаточный поток – недостаточный поток электроэнергии и информации, необходимый для нормальной работы компьютера, например, разряженная батарея, когда происходит долгая обработка информации, например, при скачивании информации из Интернета.

Полезный и вредный поток – поток входной информации. Помимо полезного потока информации, этот поток может содержать и вредный поток, например, вирусы.

Пример 1.40. Автомобиль

Бесполезный поток – поток бензина, когда автомобиль стоит, а двигатель работает, например, на светофоре.

Вредный поток – поток углекислого (выхлопного) газа, выбрасываемого в атмосферу, загрязняя окружающую среду.

Достаточный поток – поток бензина, обеспечивающий нормальную работу автомобиля.

Избыточный поток – поток бензина, избыточно поступающий в двигатель, приводящий к его перерасходу.

Недостаточный поток – поток бензина, не обеспечивающий нормальную работу автомобиля.

1.9. Системный подход

1.9.1. Системное мышление

Системное мышление – это мышление, которое использует системный подход и является одним из элементов изобретательского мышления.

Системный подход – рассмотрение объекта как целостного множества элементов в совокупности отношений и связей между ними, то есть рассмотрение объекта как системы.

Системный подход должен использоваться как при анализе, так и при синтезе систем.

При системном анализе рассматривает систему не изолированно, а как совокупность взаимосвязанных элементов, имеющую связь с надсистемой и внешней средой и влияние внешней среды на систему. Цель анализа выявить все составляющие элементы, взаимосвязи и взаимовлияния между ними, приводящие к определенным изменениям. Выявляются все взаимовлияния системы на подсистемы, на надсистему и окружающую систему, и обратное влияние надсистемы и окружающей среды на систему. Прослеживаются все закономерности изменений, функционирования и развития систем.

Системный синтез предусматривает создание сбалансированной системы, как внутри себя, так и с внешней средой.

Системный подход реализует требования общей теории систем, согласно которой каждый объект должен рассматриваться как большая и сложная система и, одновременно, как элемент более общей системы. Теория систем изучает различные виды систем, их функционирование и закономерности развития. Она была разработана Людвигом фон Берталанфи (Ludwig von Bertalanffy) в XX веке. Его предшественником был Александр Александрович Богданов, который разработал «всеобщую организационную науку» тектологию и предвосхитил некоторые положения кибернетики.

Основным объектом рассмотрения в системном подходе, теории систем, системном анализе и синтезе является система.

1.9.2. Анализ и синтез систем

Системный подход мы будем использовать для:

– анализа существующих систем;

– создания (синтеза) систем.

Под искусственными системами мы будем понимать:

– Продукт и/или услугу;

– Компанию, разрабатывающую и/или выпускающую продукт (услугу);

– Рынок, для которого делается продукт (услуга).

Анализ и синтез систем должны использовать системный подход.

Системный синтез систем должен осуществляться в следующей последовательности: выявление потребностей, функций, принципа действия и систем (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Последовательность синтеза системы

Анализ системы осуществляется для:

– Определения потребности в данной системе;

– Выявления недостатков системы.

Определение потребности в системе осуществляется в обратном синтезу порядке (рис. 1.4):

1. Анализ существующей системы, ее составных частей и процессов;

2. Анализ принципа действия системы;

3. Выявление главной, основных и второстепенных функций системы;

4. Выявление потребности, которую удовлетворяет данная система.

Рис. 1.4. Последовательность системного анализа

Новую систему можно строить для существующих или альтернативных принципа действия, функций и потребностей.

В дальнейшем могут быть выбраны или разработаны альтернативные системы, использующие тот же принцип действия, или альтернативные системы, выполняющие ту же функцию, но с другим принципом действия, или альтернативные системы, удовлетворяющие данную потребность, но с другой главной функцией или выявление других потребностей и построение альтернативных систем, удовлетворяющие эти потребности.

Альтернативные принципы действия можно найти, используя различные виды эффектов и трансфер технологий. Альтернативные функции можно выявить, применяя закономерности изменения функций. Альтернативные потребности можно выявить, используя закономерности развития потребностей.

Закономерности изменения функций и развития потребностей будут изложены ниже в главе 7 прогнозирование.

На рис. 1.5 показана схема выявления альтернативных принципов действия, главных функций и потребностей для построения новых систем.

Рис. 1.5. Выявление альтернативных принципов действия, главных функций и потребностей продукта

Примечание. Под эффектами понимается не только физические, химические, биологические и математические (в частности, геометрические) эффекты, но и технические эффекты, т. е. трансфер технологий.

1.9.3. Анализ выявления недостатков

Анализ системы для определения ее недостатков проводится в следующей последовательности (рис. 1.6):

1. Компонентный анализ.

2. Структурный анализ.

3. Анализ функций.

4. Диагностический анализ.

Рис. 1.6. Последовательность этапов системного анализа для выявления недостатков

Цель компонентного анализа – построить компонентную модель. Компонентом мы будем называть любой элемент системы на всех иерархических уровнях: подсистемы, системы, надсистема и окружающая среда. На этом этапе выявляются все компоненты и записываются в таблицу.

Цель структурного анализа – построить структуру системы. Определяют все связи между компонентами. Для этого строят матрицу связей.

Таблица 1.1. Матрица связей

Примечание. Знаком «+» обозначено наличие связи.

Используя данные таблицы, строят графическую модель связей между компонентами (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Модель связей

Цель этапа анализа функций – построить функциональную модель. На этом этапе определяют направление и характер действия, т. е. функции.

Таблица функций представлена в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Функции элементов

Примечание. У одного элемента может быть несколько функций.

По таблице функций (табл. 1.2) строят графическую функциональную модель.

Рис. 1.8. Функциональную модель

Цель диагностического анализа – построить диагностическую модель (табл. 1.3), т. е. оценить функции и потоки.

Таблица 1.3. Диагностическая матрица

По таблице диагностической матрицы (табл. 1.3) строят графическую диагностическую модель (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Диагностическая модель

Итак, мы рассмотрели основные определения системного подхода: система, функция, иерархия и присущие им понятия: целостность, свойство, отношение, процесс. Кроме того, были введены понятия: антропогенная и техническая системы.

1.10. Системность

1.10.1. Общее представление

Понятие системности вытекает из системного подхода.

Системность – это свойство, заключающееся в согласовании всех взаимодействующих объектов, включая окружающую среду.

Такое взаимодействие должно быть полностью сбалансировано.

Объект будет выполнен системным тогда и только тогда, когда он отвечает следующим системным требованиям.

1. Система должна отвечать своему предназначению.

2. Система должна быть жизнеспособной.

3. Система не должна отрицательно влиять на расположенные рядом объекты и окружающую среду.

4. При построении системы необходимо учитывать закономерности ее развития.

Системные требования представляют собой составляющие закона увеличения степени системности (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Структура системности

1.10.2. Предназначение системы

Предназначение системы описывается главной функцией системы, удовлетворяя определенную потребность.

1.10.3. Жизнеспособность

Жизнеспособность технической системы определяется ее работоспособностью и конкурентоспособностью.

Система будут жизнеспособна, если она работоспособна и конкурентоспособна.

Работоспособность — это способность выполнять заданную функцию с параметрами, установленными техническими требованиями, в течение расчетного срока службы33.

Другими словами, работоспособность – это качественное функционирование системы, т. е. качественное выполнение главной функции системы.

К параметрам работоспособности помимо качественного функционирования системы (в том числе надежности и долговечности) можно также отнести эргономические параметры (характеризуют соответствие товара свойствам человеческого организма).

Работоспособность определяется наличием необходимых элементов с требуемым качеством, наличием и качеством необходимых связей между элементами, организацией необходимых потоков с требуемым качеством.

Конкурентоспособность товара – способность продукции быть привлекательной по сравнению с другими изделиями аналогичного вида и назначения, благодаря лучшему соответствию своих качественных и потребительским оценкам34.

Конкурентоспособность конкретной системы определяется по сравнению с конкурирующей системой. Конкуренция зависит:

– от количества и качества выполняемых функций;

– стоимости данной системы;

– своевременности ее появления на рынке.

Помимо технических функций следует учитывать также эстетические и психологические.

Один из основных эстетических параметров – это дизайн продукта и упаковки, включая и цветовую гамму.

К психологическим параметрам следует отнести престижность привлекательность, доступность и т. п.

Теперь можно представить более детальную схему структуры системности (рис. 1.11), которая является структурой закона увеличения степени системности.

Рис. 1.11. Структура закона повышения степени системности