Законы и закономерности развития систем. ТРИЗ. Изд. 2-е, испр. и дополненное
В терминах, принятых в ТРИЗ, на наш взгляд, описанные понятия можно представить:
– Орудие – это рабочий орган или инструмент;
– Машина – видимо, можно так и оставить.
По Марксу «машинное устройство» состоит из частей:
– машина—двигатель;
– передаточный механизм;
– машина-орудие, или рабочая машина.
В ТРИЗ эти понятия Г. С. Альтшуллер называл:
– машина—двигатель – двигатель;
– передаточный механизм – трансмиссия;
– машина-орудие, или рабочая машина – рабочий орган.
В первых работах Г. С. Альтшуллера он говорит о машинах и процессах40.
Состав компонентов технической системы (ТС) Г. С. Альтшуллер впервые описал в 1977 г. в работе41, а позже в книге «Творчество как точная наука»42 и позже в43 [6].
Практически с этого времени появилось понятие о ТС.
К ранее введенным компонентам «машинного устройства» (машина—двигатель, передаточный механизм, машина-орудие, или рабочая машина) Г. С. Альтшуллер добавил «орган управления».
Таким образом, Г. С. Альтшуллер практически ввел понятие, что считать системой. Он это описал в виде закона полноты частей системы.
По Альтшуллеру система должна состоять из:
– Двигателя;
– Трансмиссии;
– Рабочего органа;
– Органа управления.
Таким образом можно говорить о понятиях:
– Орудие или инструмент;
– Машина;
– Техническая система.
Орудие или инструмент содержат рабочий орган и трансмиссию и не содержит двигатель и органа управления. К ним относятся ручные инструменты, например, молоток, нож, ножницы, лопаты и т. д.; механические механизмы, например, ручная дрель и т. д.; приспособления, например, различные приспособления для кухни, типа ручной кофемолки, различных измельчителей, не содержавших двигатель и т. д. При работе с ними функции двигателя и системы управления выполняет человек.
Машина содержит рабочий орган, трансмиссию и двигатель и не содержит систему управления. Функцию системы управления выполнял человек.
Техническая система содержит все перечисленные выше компоненты: рабочий орган, трансмиссию, двигатель и орган управления.
Автор предлагает рассматривать отдельно эти три понятия и не называть любой объект системой.
4.3.3. Закономерность избыточности
Необходимым условием принципиальной работоспособности
системы является наличие избыточности системы.
Избыточность – это закономерность, по которой приблизительно 20% функций, элементов и связей системы выполняют около 80% работы.
При создании работоспособной системы нужно учитывать, что для выполнения какой-либо работы, кроме основных элементов и связей (выполняющих главную функцию), необходимо еще приблизительно 80% вспомогательных, причем они, как правило, выполняют только 20% основной работы. Учитывая это, следует предусмотреть лишний расход вещества, энергии и информации (приблизительно 20% на обеспечение главной функции и 80% основных и вспомогательных).
В общем виде закономерность избыточности формулируется как «20% усилий дают 80% результата, а остальные 80% усилий – лишь 20% результата»44.
Эта закономерность была открыт итальянским экономистом и социологом Вильфредо Парето (Vilfredo Federico Damaso Pareto) в 1897 году. Он получил название «Закон Парето» или «Принцип Парето».
Избыточность может быть:
– функциональной;
– структурной.
Функциональная избыточность определяется тем, что для обеспечения работоспособности системы, помимо главной функции, необходимо выполнять еще основные и вспомогательные функции.
Структурная избыточность определяется необходимостью введения дополнительных элементов и связей, кроме рабочего органа, для обеспечения работоспособности системы; наличием, как минимум, источника и преобразователя энергии, системы управления и связи.
Избыточность особо велика, когда к системе предъявляются повышенные требования.
Это наиболее характерно для систем безопасности и спасательных средств, медицинского оборудования, военной техники, сложных научных исследований, спортивного оборудования, предметов роскоши, массовых праздников и т. п. Все они, как правило, имеют средства дублирования, значительные запасы (мощности, энергии, провиантов, медицинских препаратов, боеприпасов и т. п.) или «излишества», роскошь.
Дублирование может быть в виде второго, точно такого же, комплекта систем или подобных систем – структурное дублирование. Часто в качестве дублирования используется альтернативную систему, выполняющую точно такую же или более общую функцию. Это вид функционального дублирования.
4.4. Закон проводимости потоков
4.4.1. Общее представление
Необходимым условием принципиальной работоспособности системы является проход потоков вещества, энергии и информации к требуемому элементу системы.
Вещество, энергия и информация должны проходить от источника потока до требуемого элемента, совершая необходимые преобразования и выполняя соответствующие полезные функции.
Создание правильных потоков обеспечивает необходимую функциональность и работоспособность системы. Отсутствие хотя бы одного жизненно-важного потока делает систему не работоспособной.
4.4.2. Потоки
Понятие о потоках было дано раньше (п. 1.6).
Напомним, что поток может быть:
– вещества;
– энергии;
– информации.
Поток вещества обеспечивает транспортировку вещества в различных агрегатных состояниях (например, в твердом, гелеобразном, жидком и газообразном) или объектов. Транспортировка веществ может осуществляться, например, по трубопроводам, с помощью конвейерной (транспортерной) ленты и т. п., а объектов с помощью транспортных средств, например, по железной дороге, с помощью автотранспорта, судов, самолетов, эскалаторов, транспортеров и т. д.
Энергетический поток доставляет энергию от источника к требуемому элементу. Поток может, например, доставлять механическую, электрическую, оптическую, химическую, другие виды энергии, различные излучения и т. д.
Информационный поток обеспечивает проход информации от источника к требуемым элементам, например, от системы управления к органам управления и от них к системе управления. Информационный поток может осуществляться с помощью, например, проводов, по которым осуществляется передача информации, контроль и управление и всех видов беспроводной связи и т. д. Они могут распространяться различными путями: через печатные материалы, Интернет, радио и телевидение и т. д. Носителями информации является вещество и/или поле (энергия).
4.5. Закон минимального согласования системы
4.5.1. Общее представление
Необходимым условием принципиальной работоспособности системы является минимальное согласование частей и параметров системы и системы с надсистемой.
При разработке новой системы согласование необходимо провести по всей цепочке системного синтеза (рис. 1.3): потребность, функция, принцип действия, система.
В связи с этим согласование можно разделить на две группы: внешнее и внутреннее (согласование внутри системы).
Первоначально проводится внешнее, а затем внутреннее согласование.
Опишем последовательности внешнего и внутреннего согласования.
Внешнее согласование:
– Согласование потребности и главной функции;
– Согласование главной функции и принципа действия;
– Согласование принципа действия и рабочего органа (рабочий орган должен обеспечить главную функцию).
Внутреннее согласование (минимальное согласование):
– Минимальное согласование преобразователя с рабочим органом;
– Минимальное согласование источника и преобразователя вещества, энергии и информации между собой и с рабочим органом и системой управления;
– Минимальное согласование системы управления с рабочим органом, источником и преобразователем вещества, энергии и информации;
– Согласование всех связей и потоков;
– Минимальное согласование всех параметров системы.
Главная функция должна удовлетворять выбранную потребность.
Принцип действия должен выполнять главную функцию.
Рабочий орган должен осуществить принцип действия.
Во внутреннем согласовании осуществляется минимальное согласование всех минимально необходимых частей, связей, потоков и параметров системы.
Преобразователь согласуется (подбирается) в соответствии с выбранным рабочим органом. Преобразователь должен обеспечить рабочий орган всеми необходимыми ему веществами, энергией и информацией для выполнения в соответствующем качестве и количестве для выполнения надлежащей работы, т. е. обеспечить работоспособность рабочего органа.
Преобразователи подбираются или разрабатываются в соответствии с их источниками или наоборот источники подбираются в соответствии с преобразователями.
Минимальное согласование проводится по функциям, структуре, соответствию структуры функциям и параметрам. Минимальное согласование позволяет учесть взаимосвязи и взаимовлияния. Таким образом, согласование бывает:
– функциональное;
– структурное;
– функционально-структурное;
– параметрическое.
4.5.2. Функциональное согласование
Функциональное согласование – это согласование функций между собой. Оно осуществляется при формировании функциональной модели для синтеза новых систем.
4.5.3. Структурное согласование
Структурное согласование – это согласование элементов системы между собой. При этом выявляют их взаимосвязь и взаимовлияние друг на друга и на систему в целом, т. е. определяют соответствие этих элементов друг другу. Кроме того, согласовывают систему с надсистемой и внешней средой.
4.5.4. Функционально-структурное согласование
Функционально-структурное согласование – это соответствие структуры системы ее функциям, т. е. согласование структуры и функций.
4.5.5. Параметрическое согласование
Параметрическое согласование – это согласование всех параметров системы между собой.
4.6. Построение новой системы
4.6.1. Общий подход
Для построения новых систем используется системный подход, включающий системный анализ и системный синтез (п.1.7.2)
Системный анализ имеет два направления:
1. Выявление принципа действия, главной функции и потребности, которую удовлетворяет исследуемая система;
2. Выявление недостатков (1.7.3).
Новую систему можно строить для существующих или альтернативных принципов действия, функций и потребностей.
Альтернативные принципы действия можно найти, используя различные виды эффектов и трансфер технологий. Альтернативные функции можно выявить, применяя закономерности изменения функций (8.2). Альтернативные потребности можно выявить, используя закономерности развития потребностей (8.1).
4.6.2. Последовательность построения новой системы
1. Анализ существующих систем (бенчмаркинг).
2. Определение потребности, которую необходимо удовлетворить.
3. Выбор главной функции, способной удовлетворить выбранную потребность.
4. Выбор принципа действия, способного наилучшим образом выполнить главную функцию.
5. Выбор вида рабочего органа, способного наилучшим образом выполнять принцип действия системы.
6. Выбор источника и преобразователя вещества, энергии и информации. Они должны наилучшим образом обеспечивать работоспособность системы.
7. Выбор системы управления.
8. Выбор связей. Существенным образом зависит от выбранных элементов.
4.6.3. Анализ существующих систем
Анализ производится как по существующим продуктам (услугам) и компаниям производителей, так и по патентным и другим печатным материалам.
Выявляются достоинства и недостатки продукта и компании. Кроме того, анализируются тенденции развития рынка.
Строятся тренды развития продукта, компании и рынка по реальным и патентным данным. Технология поиска информации и построения трендов будет изложена в главе прогнозирование.
Кроме того, желательно провести анализ продвижения продукта (услуги) на рынок, который проводится по специальной методике, разработанной автором45. Эта методика использует закономерности развития продукта, компании и рынка и их взаимодействие. Особенно это важно для компаний стартап и инвесторов этих компаний.
4.6.4. Определение потребности, функции и принципа действия
Перед выбором рабочего органа определяют цель разработки, потребность, которую необходимо удовлетворить и главную функцию, способную выполнить эту потребность (п. 1.7.2).
Альтернативные принципы действия можно найти, используя различные виды эффектов (физические, химические, биологические) и трансфер технологий. Альтернативные функции можно выявить, применяя закономерности изменения функций (8.2). Альтернативные потребности можно выявить, используя закономерности развития потребностей (8.1).
По этим данным строится дерево потребностей, главных функций, принципов действий и систем. На каждом уровне определяется полнота (потребностей и функций) и выбирается наилучшие (потребность, главная функция, принцип действия и система).
Таким образом, выбирается концепция будущей разработки.
5. Закономерности эволюции систем
5.1. Структура закономерностей эволюции систем
Закономерности эволюции систем предназначены для улучшения, совершенствования существующих систем. Они показывают общее направление развития систем и тенденции их изменения.
Каждая из закономерностей эволюции систем осуществляется определенными тенденциями (трендами), которые имеют противоположные тенденции – анти-тенденции (анти-тренды). Кроме того, имеются механизмы, осуществляющие закономерности (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Структура закономерностей эволюции систем
В связи с этим практически каждая из закономерностей имеет свою противоположную тенденцию. Особенности применения закономерности и ее противоположности будут описаны в томе 3.
Большая часть систем развивается по основным трендам. Некоторые виды систем развиваются по анти-тенденциям или сочетание тенденции и анти-тенденции.
Основные из закономерностей эволюции систем, следующие (рис. 5.2):
– закономерность увеличения степени идеальности;
– закономерность увеличения степени управляемости и динамичности;
– закономерность увеличения степени согласования;
– закономерность перехода в надсистему;
– закономерность перехода на микроуровень;
– закономерность свертывания;
– закономерность сбалансированного развития систем.
Рис. 5.2. Структура закономерностей эволюции систем
С учетом анти-тенденций группа закономерностей эволюции систем имеет вид (рис. 5.3):
– закономерность изменения степени идеальности;
– закономерность изменения степени управляемости и динамичности;
– закономерность согласования – рассогласования;
– закономерность перехода в над- и подсистему;
– закономерность перехода на микро- и макроуровень;
– закономерность свертывания – развертывания;
– закономерность несбалансированного – сбалансированного развития систем.
Рис. 5.3. Структура закономерности эволюции систем
Общее направление развития систем определяется закономерностью увеличения степени идеальности. Это самая главная закономерность эволюции систем.
5.2. Закономерность изменения степени идеализации системы
5.2.1. Общие представления
Закономерность изменения степени идеальности является основной из закономерностей эволюции систем (рис. 5.4).
Рис. 5.4. Структура закономерностей эволюции систем
Закономерность изменения степени идеальности включает две закономерности:
1) закономерность увеличения степени идеальности;
2) закономерность уменьшения степени идеальности (анти-идеальность – тенденция уменьшения идеальности).
5.2.2. Общие понятия закономерности увеличения степени идеальности
Общее направление развития систем определяется закономерностью увеличения степени идеальности. Это самая главная закономерность эволюции систем.
Закономерность увеличения степени идеальности заключается в том, что любая система в своем развитии стремится стать идеальнее.
Одно из направлений увеличения степени идеальности – это максимальное уменьшение избыточности. Под уменьшением избыточности понимается уменьшение функциональной и структурной избыточности.
Уменьшение функциональной избыточности означает максимально возможное уменьшение дополнительных функций, такое, чтобы оно не отразилось на выполнении главной функции системы, т. е. функциональность системы выполнялось бы на том же или лучшем уровне.
Уменьшение структурной избыточности предусматривает уменьшение «лишних» частей и связей в системе. При этом система должна не только остаться работоспособной, но и не должна пострадать функциональность – она должна выполняться на том же или лучшем уровне.
Уменьшение избыточности может осуществляться использованием закономерности свертывания.
Направление идеализации определяется закономерностями повышения степени управляемости и динамичности, согласованием-рассогласованием, переходом в над- и подсистему, переходом на микро- и макроуровень, и свертывания-развертывания систем.
5.2.3. Виды степеней идеализации системы
Условно можно выделить четыре степени идеализации системы.
1. Появляться в нужный момент в нужном месте по требуемому условию.
2. Самоиполнение.
3. Идеальная система – это функция.
4. Функция становится не нужной.
Система появления в нужный момент в нужном месте по требуемому условию
Идеальная система должна появляться в нужный момент в необходимом месте или при необходимом условии и нести полную (100%) расчетную нагрузку.
В остальное (не рабочее) время этой системы быть не должно (она должна исчезнуть) или выполнять другую полезную работу (функцию).
Самоисполнение
Идеальная система должна выполнять все процессы (действия) самостоятельно без участия человека.
Идеальная система – функция
Идеальной системы быть не должно, а ее работа должна выполняется как бы сама собой, по мановению волшебной палочки.
Функция должна выполняться без средств.
Идеальная система – это система, которой не существует – ее нет, а ее функции выполняются в нужный момент, в необходимом месте или при необходимом условии (причем в это время система несет 100% расчетную нагрузку), не затрачивая на это вещества, энергии, времени и финансов.
Таким образом, идеальная система должна выполнять полезные функции в нужный момент, в необходимом месте или при необходимом условии, иметь нулевые затраты и не иметь нежелательных эффектов.
Использование информации, если она не требует финансовых затрат, не относится к затратам. Система тем идеальнее, чем больше она использует бесплатной информации.
Тенденция: материальная система заменяется виртуальной или программным обеспечением.
Предельная степень идеализации – отказ от функции
Предельная степень идеализации – функция становится не нужной.
Один из вариантов – это выполнение более общей функции.
5.2.4. Показатель степени идеальности
Степень идеализации системы можно представить в виде формулы (5.1)46:
где
I – степень идеализации (безразмерная величина);
F – полезная функция или полезный эффект;
Q – качество полезной функции (эффекта);
C – затраты времени и средств на осуществление полезной функции;
H – вредное действие (вредные функции);
i – порядковый номер функции;
n – количество функций;
a, β, γ – коэффициенты согласования, для обеспечения безразмерности.
В соответствии с формулой для увеличения степени идеальности число полезных функций следует увеличивать и улучшить их качество, а затраты и вредные функции уменьшать. В пределе, когда числитель стремится к бесконечности, а знаменатель стремится к нулю, идеальность стремится к бесконечности.
Для простоты представим формулу в упрощенном виде (5.2):
где
I – степень идеальности;
F – выполняемая функция или полезный эффект;
P – вредный эффект, затраты (факторы расплаты);
i – номер функции F;
n – количество функций.
5.2.5. Общие способы идеализации
К общим способам идеализации можно отнести:
1) закономерность развертывания – свертывания;
2) использование ресурсов;
3) модульный принцип;
4) использование одноразовых объектов;
5) способы устранения нежелательных эффектов;
6) принципы разрешения противоречий.
Закономерность развертывания-свертывания будет изложена ниже. С помощью закономерности развертывания системы, можно увеличить количество функций системы, а с помощью закономерности свертывания системы или процессов можно уменьшить затраты.