Научно-техническая стратегия государства

§7. Закономерный характер развития науки и техники

Но всегда ли есть возможности для такого развития науки и техники, которого требует динамический подход? Долгое время считалось, что прогресс является случайным и непредсказуемым, а потому чрезмерно дорогим и чреватым дополнительными проблемами.

Эта точка зрения распространена и по сей день – в первую очередь, потому что она соответствует как интересам научной бюрократии («платите и не ждите от нас многого»), так и консервативных элит («видите мы финансируем, даже есть локальные яркие достижения, чего вам ещё надо»).

Однако, с середины XX века благодаря работам Г. С. Альтшуллера, Б. Л. Злотина, А. Л. Зусман и др. достоверно установлена подчинённость развития науки и техники ряду закономерностей. Это открыло возможности прогнозирования и управления в этих сферах.

Их подходы уже несколько десятилетий активно (и с большим успехом) используются многими крупными инновационными компаниями мира. До сих пор, правда, не известно примеров использования этих знаний в государственном управлении. Устранить это недоразумение и призвано настоящее издание.

Идеи о том, что развитие техники может подчиняться объективным законам, появились существенно позднее, чем идеи о закономерностях социального развития (17-й век) и биологической эволюции (начало 19-го века). Поскольку технику создают люди, казалось, что все зависит только от изобретателя. Однако лавинообразное накопление патентной информации позволило к середине XX века обнаружить существенные закономерности.

Первым их классифицировал советский учёный Г. С. Альтшуллер, которому принадлежит авторство самого понятия «законы развития технических систем». В наши дни система законов Альтшуллера была уточнена и дополнена его учениками, большой вклад внесли Б. Злотиным и А. Зусман, на основе большого опыта работы в условиях как СССР, так и стран Запада. Была на практике доказана огромная инструментальная и в то же время прогнозная ценность этих законов, особенно совместного их применения.

К основным законам развития технических систем можно отнести:

– Закон повышения идеальности

– Закон развития за счёт использования ресурсов

– Закон кризисного развития

– Закон развёртывания—свёртывания

– Закон расширения ассортимента задействованных уровней строения материи

– Закон повышения адаптивности

– Закон развития отношений человек-техника

– Закон роста упорядочивающей способности

– Закон роста информационного КПД

– Закон S-образного развития

Оказалось, что технические системы любого назначения – сельскохозяйственные, промышленные, военные, развлекательные – эволюционируют совершенно одинаково и в значительной степени – предсказуемо. Историческая специфика определяет не то, какими будут системы будущего, а лишь кто и когда создаст и использует их. Соответственно, все, что открыто внутри одного государства, через какое-то время обязательно будет переоткрыто за его пределами. С точки зрения научно-технической стратегии государства это и имеет решающее значение: важно чтобы ключевые задачи решались во-первых, лицами, чьи интересы совпадают с интересами конкретного общества и государства, а во-вторых, как можно раньше, в первую очередь – раньше, чем это сделают другие.

Этот детерминизм не лишает труда творческой составляющей, а наоборот, позволяет фокусировано использовать ресурсы на перспективных направлениях, избегая тупиков. Знание этих законов является неоценимым для осмысленного планирования науки и техники. И, наоборот, вероятность ошибок при принятии решений тем выше, чем слабее представляет себе человек закономерный ход развития техники. Конкретное выражение законы развития находят в так называемых линиях развития технических систем.

Законы развития технических систем являются объективными законами, но имеют статистический, вероятностный характер, как и все законы, связанные с развитием систем высокой сложности. Поэтому всегда можно отыскать примеры единичного нарушения того или иного закона. Наиболее часто такие нарушения связаны с тем, что сильная надсистема заставляет подчинённую ей систему «нарушить» закон.

Полное представление о содержании и практическом применении данных законов можно получить из рекомендуемой в конце литературы. Для предварительного знакомства в следующих параграфах приводится очень краткий конспект законов развития технических систем.

§8. Закон роста идеальности

Развитие систем идёт в направлении увеличения идеальности, то есть отношения суммы её полезных функций к сумме «факторов расплаты» – стоимости, габаритов, трудо- и материалоемкости и т. д.

Например, в ходе эволюции компьютеров их полезные функции – производительность, объем памяти, надёжность – стремятся к бесконечности, а факторы расплаты – масса, габариты, стоимость – к нулю.

Повышение идеальности часто проявляется в росте относительных параметров, то есть отношения полезных характеристик (мощности, коэффициента усиления, производительности, точности, надёжности и других) к вредным (потери, помехи, количество брака и т. д.) или к конструктивным (вес, размеры, трудоёмкость изготовления и т. д.). Как правило, растут коэффициенты полезного действия (КПД), числа функций, выполняемых на единицу веса, объёма, площади, длины, затрат энергии и т.п., полезного использования времени, материалов, труда и т. п.

Идеальная техническая система – это система, вес, объем и площадь которой стремятся к нулю, хотя её способность выполнять работу при этом не уменьшается. Системы нет – а функция её выполняется. Хотя достижение этого в реальности невозможно, понятие «идеальной системы» оказалось чрезвычайно полезным для решения конкретных изобретательских задач. Биологические системы в своём развитии тоже следуют в направлении увеличения отношения полезных функций к факторам расплаты.

Закон повышения идеальности позволяет при решении задач формулировать представление об идеальном конечном результате (ИКР), ценное тем, что позволяет выбрать среди множества направлений решения наиболее радикальное. Хотя сам ИКР, как правило, недостижим, но он направляет работу в область сильных изобретательских решений, резко улучшая работу конструктора. А. Морозов, один из создателей советского танка Т—34, писал, что в работе руководимого им коллектива главным был принцип: «самой надёжной, не поражаемой, лёгкой и дешёвой является та деталь, которой нет в машине… Сложное сделать легко, куда сложнее сделать просто».

Для практического использования формулы идеальности при оценке той или иной идеи достаточно увидеть соответствующее ей направление и динамику изменения идеальности. Повышение идеальности системы возможно как при опережающем росте числителя (увеличение количества и качества выполняемых полезных функций), так и при опережающем уменьшении знаменателя (снижение затрат, уменьшение числа вредных функций). Особенно интенсивно идёт повышение идеальности когда эти явления имеют место одновременно.

Добавление новых полезных функций в систему осуществляется путём изобретения ранее неизвестных функций, переноса функций, выполнявшихся ранее другими системами, человеком и др. Если изначально функции системы были неполны (отсутствовали функции поддержания её пространственной и временной структуры, ввода-вывода потоков энергии и вещества, регенерации, контроля взаимодействия с окружающей средой), развитие обычно идёт путём восполнения недостающих функций.

Полезные функции всегда связаны с теми или иными вредными эффектами. Развитие средств устранения вредного эффекта часто запаздывает по сравнению с развитием полезных функций, проходя стадии: ограничения вредных эффектов за счёт снижения полезных, замены одних факторов расплаты на другие, более приемлемые, компенсации вредных факторов, обращения их в пользу. Уменьшение факторов расплаты осуществляется в трёх основных направлениях: снижение стоимости системы и эксплуатационных расходов, уменьшение вредных эффектов, ослабление связи между полезными и вредными функциями.

§9. Закон развития за счёт использования ресурсов

Развитие систем идёт путём все более эффективного использования все более разнообразных и сложных ресурсов.

Под ресурсом здесь понимается всё, что целенаправленно используется для достижения результатов. Каждая инновация – очередной шаг эволюции, который использует имеющиеся ресурсы и создаёт новые ресурсы, порождая таким образом положительную обратную связь (инновации способствуют появлению инноваций), продолжая эволюционную лавину. Нет никаких признаков возможного прекращения или торможения этого процесса в будущем. При развитии могут появляться вредные «ресурсы», порождающие нежелательные явления, но появляются и средства борьбы с ними. Лекарство от «плохой технологии» – «хорошая технология».

На протяжении всей истории идёт постоянное превращение «нересурсов» в ресурсы в результате творческой деятельности человека. Системы все более эффективно используют все более разнообразные и сложные ресурсы, как «собственные», имеющиеся в самой системе, так и получаемые из окружения, от других систем, из надсистемы и т. п. Ресурсы могут присутствовать в системе в годном для применения виде либо применимыми после определённой подготовки: накопления, видоизменения и т. п. Практически любую реальную систему можно «форсировать», заставить работать более эффективно, выполнять дополнительные функции и т. п. используя избыточность её ресурсов.

Нередко в качестве ресурсов используются способность имеющихся в систем веществ претерпевать фазовые переходы, менять свойства, вступать в реакции и т. п. В других случаях ресурсами являются не вещества, а поля (в широком смысле – как формы распространения энергии: механической, тепловой, химической, электромагнитной и т. д). Наиболее эффективным оказывается суммарное использование различных полей: электромеханика, электротермия, электрохимия, электромагнетизм, термохимия, механохимия и т. п.

В некоторых задачах бывает полезно рассматривать «как бы поля» – биологические, психологические, социальные и ещё более абстрактные типы ресурсов: энергетические, информационные, пространственные и временные, функциональные, системные, дифференциальные и др.

Наиболее эффективно решаются задачи, когда удаётся использовать в качестве ресурсов вредные вещества, поля, вредные функции системы. В этом случае получается двойной эффект – избавление от вреда и дополнительный выигрыш. Весьма эффективным является комбинированное использование ресурсов разных видов.

При повышении требований к системе усиливается конкуренция подсистем за ресурсы, «борьбы за ресурс» и противоречия между разными функциями. По мере развития любой конкретной системы происходит постепенное исчерпание ресурсов. Если большинство доступных ресурсов уже исчерпаны, чаще всего следующим шагом развития будет создание нового поколения систем, использующих ресурсы иначе, более экономно или использующих другие ресурсы.

§10. Закон кризисного развития

Развитие систем идёт путём появления, обострения и разрешения противоречий.

Противоречие – это проявление несоответствия между разными требованиями, предъявляемыми человеком к системе, ограничениями, налагаемыми на неё законами природы, социальными, юридическими и экономическими законами, уровнем развития науки и техники, конкретными условиями применения и т. п.

В соответствии с законами диалектики, дальнейшее развитие происходит через чередование этапов количественного роста и качественных скачков. В ходе количественного роста происходит накопление и обострение противоречий, которые разрешаются (снимаются) в результате качественных скачков – создания принципиально новых технических решений.

Техническое противоречие – ситуация, когда попытки улучшить одну характеристику (часть) системы приводят к ухудшению другой. Физическое противоречие – ситуация, когда к объекту или его части по условиям задачи предъявляются противоположные (несовместимые) требования. Формулирование противоречий обостряет конфликт до предела и, как ни странно, именно благодаря этому облегчает решение, позволяя сосредоточиться на самой сердцевине проблемы.

Стихийное развитие техники веками шло без понимания роли противоречий и без их целенаправленного формулирования. Поэтому очень многие задачи долго оставались нерешенными и даже считались принципиально неразрешимыми.

Если противоречие не очень острое, то иногда оно допускает компромиссное решение. Если противоречие обострено и не допускает компромиссного решения, используются специальные приёмы разрешения противоречий: «разнесение» противоположных требований, так чтобы оба могли выполниться например: в пространстве, времени или некоторым другим условиям, с помощью физико-химических превращений, с помощью преобразования системы.

Противоречия, относящиеся к одной системе, обычно взаимосвязаны, вытекают одно из другого, являются звеньями одной причинно-следственной сети. Этим объясняется возникновение сверхэффектов, когда разрешение одного из ключевых противоречий может привести к существенному усовершенствованию всей системы. Учитывая сложность системы противоречий, важно найти среди них главное, центральное, ограничивающее развитие системы и разрешить его.

При первоначальном рассмотрении задачи нередко противоречия не видны, а на поверхности лежит только тот или иной недостаток, ограничение, одна сторона противоречия. Например, нередко бывает и так, что противоречия как будто бы нет, а есть «непреодолимое ограничение». Такие ситуации возникают вследствие одностороннего подхода к системе, и пока этот подход не изменится, задача действительно неразрешима. Поэтому нужно в первую очередь осознать ограничение как одну из сторон противоречия, найти его вторую сторону, сформулировать его и найти приём разрешения.

Работа по выявлению и разрешению противоречий для неподготовленного к этому человека трудна и психологически дискомфортна так как требует работы с высокими уровнями неопределённости и нарушает привычную линейную «модель мира». Поэтому формирование «небоязни противоречий» привычки к их формулированию и разрешению резко повышает творческую эффективность человека и его защиту от стрессов неопределённости.

§11. Закон развёртывания – свёртывания

Развитие систем идёт путём развёртывания и свёртывания.

Повышение идеальности систем осуществляется путём развёртывания (увеличения количества и качества полезных функций за счёт усложнения системы), и свёртывания (упрощения системы при сохранении или увеличении количества и качества полезных функций).

Процессы развёртывания и свёртывания чередуются, частично перекрываясь, а иногда и действуя параллельно (например, когда при общем развёртывании системы отдельные её подсистемы могут свёртываться, и наоборот).

Развёртывание системы начинается с момента её появления, то есть создания функционального центра – минимальной цепочки из подсистем (элементов), способных в совокупности выполнить основную функцию системы, и продолжается сначала в рамках существующей конструктивной концепции, а затем и при её изменении.

Функциональный центр создаётся путём объединения ранее самостоятельных систем (со своими функциями) и подсистем, специально созданных для работы в новой системе и обеспечения в совокупности с первыми получения нового системного свойства. При этом объединяются системы, дополняющие действие друг друга, а также компенсирующие (устраняющие, не допускающие) вредные явления. Все звенья основной функциональной цепочки должны быть минимально жизнеспособны и связаны между собой.

Развёртывание идёт от функционального центра к периферии системы и предусматривает включение дополнительных подсистем, повышающих качество основных функций, компенсирующих недостатки, расширяющих возможности. Увеличивается число уровней иерархии за счёт дробления системы, перехода к сетевой структуре. Также развёртывание происходит путём объединения нескольких систем, чтобы создавался дополнительный полезный эффект.

Свёртывание идёт, как правило, в обратном направлении – от периферии системы к её функциональному центру (от вспомогательных, сервисных, защитных и т. п. подсистем, системообразующих элементов и т.п.). Свёртывание проходит три последовательных этапа: минимальное, частичное и полное.

Минимальное свёртывание системы – создание связей между исходными подсистемами, обеспечивающих появление системного эффекта при минимальном их изменении. В большинстве случаев связи носят временный характер, возможен возврат исходных систем к самостоятельному функционированию.

Частичное свёртывание – изменение подсистем с целью упрощения, подгонки друг к другу, при этом улучшается работа основной системы: уменьшаются потери, повышается надёжность и т. п. Усиливаются связи между подсистемами, но возможность их выхода из системы нередко ещё сохраняется, правда, с понижением эффективности работы.

Полное свёртывание – полное изменение подсистем, установление между ними неразрывных связей. Система становится более простой, выход из неё бывших подсистем становится невозможным. На этом этапе система со всеми её подсистемами, связями и т. д. часто заменяется «умным» веществом, выполняющим нужные функции за счёт использования разных физических, химических и других эффектов.

Процесс свёртывания включает использование всех видов ресурсов и предусматривает исключение дублирования функций подсистем, их передачу специализированным подсистемам, совмещение подсистем, слияние их функций, переход от последовательных технологических процессов к параллельным, совмещение технологических операций, упрощение внутренней структуры системы и её подсистем, исключение отдельных элементов и операций, укрупнение элементарных подсистем.

Полностью свёрнутая система может продолжать развитие, включаться в различные надсистемы, снова развёртываться в ходе повышения идеальности. Свёртывание, как правило, сильнее изменяет исходную систему, чем развёртывание, даёт решения более высокого уровня, хотя практически может быть более сложным из-за усиления внутрисистемных связей, замедляющих проектирование и отладку.

§12. Закон расширения набора используемых уровней строения материи

Развитие систем идёт в направлении расширении набора используемых уровней строения материи.

При появлении и развитии систем есть тенденция перехода к использованию все более глубинных уровней строения материи. Одновременно с этим, происходит и переход к все большему количеству совместно используемых различных уровней. Возможности, даваемые обоими тенденциями позволяют осуществлять более масштабные проекты на крупных, (в т.ч. космических) уровнях строения материи.

Во всем многообразии окружающего мира можно выделить ряд уровней строения систем, каждый из которых характеризуется размерами типовых элементов, видом связи между ними, а также преобладающими эффектами и явлениями:

– Мегасистемы космического уровня: гравитация и излучения Солнца, космические лучи и частицы и т. п.

– Системы планетарного уровня: климатические зоны, океаны, континентальные плиты, климат, солнечное излучение и т. п.

– Подсистемы планетарного уровня: моря, озера, реки, леса, степи, пустыни, залежи ископаемых ресурсов, ураганы, океанские течения и т. п.

– Крупномасштабные искусственные системы: государства, города, транспортные сети, крупные предприятия, шахты и т. п.

– Макросистемы масштаба человека: системы из элементов и/или подсистем с размерами, более или менее сопоставимых с человеческими – от десятков метров до миллиметров. Они – основа нашего окружения, с ними мы более всего взаимодействуем, и именно они имеют самую сильную тенденцию вовлекать в использование ресурсы выше- и нижестоящих уровней.

– Дисперсные макро-полисистемы: системы из однородных элементов и/или подсистем макро масштаба.

– Поли-системы из малых (доли миллиметров) элементов: порошки, гранулы, капли, капилляры, гели, микрокапсулы и т. п.

– Микросистемы – системы из элементов микронных размеров и микронного размера структур: кристаллы, домены, молекулярные кластеры

– Наносистемы – системы из наноразмерных элементов и наноструктур: наномашины, наноэффекты.

– Системы использующие молекулярные явления: биология, химия, биохимия.

– Системы использующие атомные и квантовые явления: ядерная энергетика, лазеры, системы измерения.

– Системы, построенные на основе полей, использующая поля вместо веществ: микроволновые устройства, электростатическая окраска, системы электролиза и т. п.

Человек достаточно рано овладел макроуровнем и некоторыми операциями уровня 10 (различными химическими процессами, плавлением и т. д.). По мере развития техники человек все более масштабно осваивает и другие уровни. Для современной техники характерно все более сильное использование полей (уровень 12) совместно со всеми уровнями используемых вещественных структур.

Большинство функций, выполняемых техническими системами, могут быть реализованы с использованием разных уровней. Каждый уровень имеет свои собственные специфические ресурсы. В процессе развития происходит как бы «насыщение» системы ресурсами за счёт использования ресурсов разных уровней.

§13. Закон повышения адаптивности

Развитие систем происходит путём улучшения их адаптации к изменяющейся в широких пределах среде.

Адаптивность – способность системы приспосабливаться, перестраиваться, менять свою структуру, состояние и функционирование для сохранения или достижения оптимального состояния при изменении внешних условий (или своего внутреннего состояния).

Необходимость адаптации возникает в результате изменения внешних условий, появления новых требований к системе или новых вредных факторов влияющих на систему, или среду её использования, появление новых применений, новых ресурсов или изменения доступности и цен на имеющиеся ресурсы, включение системы в новые надсистемы, изменение масштабов производства и потребления, переход к серийному или массовому производству со своими требованиями.

К основным путям повышения адаптивности систем относят согласование-рассогласование, повышение динамичности, управляемости и интеллектуальности систем.

В процессе развития происходит согласование – рассогласование системы и её подсистем между собой, с надсистемой и/или с другими системами для оптимизации её работы.

Согласование – это приведение основных параметров к определенным значениям, обеспечивающим наиболее эффективное функционирование, условия для лучшего прохождения нужных потоков и протекания нужных процессов. Например: согласование частот на которых работает передатчик и приёмник, настройка пианино, согласование входного и выходного сопротивлений в электронных устройствах.

Рассогласование – целенаправленное изменение отдельных параметров, обеспечивающее предотвращение вредных процессов и потоков, а также получение дополнительных полезных эффектов. Например: расположение пешеходного перехода выше или ниже автомобильной дороги,

Согласование проявляется уже при создании системы, когда идёт подбор необходимых подсистем, образующих основную функциональную цепочку. К подсистемам, помимо требования обеспечения минимальной работоспособности, предъявляется требование совместимости друг с другом, поэтому случается, что подсистема, наилучшим образом выполняющая свою функцию вне системы, оказывается не лучшей для создаваемой системы. При этом часто возникает типичное противоречие: согласование одних параметров приводит к ухудшению согласования других.

Согласованию—рассогласованию подлежат любые параметры технических систем, в том числе материалы, формы и размеры, ритмика действия, структура, энергетические, информационные и другие потоки и т. п.

Часто система должна обладать определёнными параметрами в одном режиме (например, при функционировании) и другими параметрами в другом режиме (например, при транспортировке). Это противоречие разрешается превращением прежде постоянного, неизменяемого параметра в переменный, изменяемый. Повышение динамичности даёт системе возможность сохранять высокую идеальность при значительных изменениях условий. Примеры: кресло с регулируемой высотой, крыло с изменяемой геометрией, печь с регулятором температуры. Идёт переход к системам с увеличенным числом степеней свободы, с повышением возможностей к изменениям. Например, использование микропроцессоров породило в приборах огромное количество настроек, задаваемых пользователем или автоматически.