Основы ТРИЗ. Теория решения изобретательских задач. Издание 2-е, исправленное и дополненное

4.3. Структура законов развития технических систем

Законы развития технических систем можно разделить на две группы (рис. 4.5):

1. Законы организации систем (определяют работоспособность системы);

2. Законы эволюции систем (определяют развитие технических систем).

Рис. 4.5. Схема законов развития технических систем

1. Законы организации предназначены для построения новой работоспособной системы. Группа законов организации технических систем включает (рис. 4.6):

– закон полноты и избыточности частей системы;

– закон проводимости потоков;

– закон минимального согласования.

Рис. 4.6. Структура законов организации систем

2. Законы эволюции технических систем предназначены для улучшения, совершенствования существующих систем. Они показывают общее направление развития систем и тенденции их изменения. Основные законы эволюции технических систем (рис. 4.7):

– закон увеличения степени идеальности;

– закон увеличения степени управляемости и динамичности;

– закон перехода в надсистему;

– закон перехода на микроуровень;

– закон согласования;

– закон свертывания – развертывания;

– закон неравномерности развития частей системы.

Закон увеличения степени управляемости и динамичности систем имеет подзаконы:

– увеличение степени вепольности;

– увеличение управляемости веществом, энергией и информацией.

Рис. 4.7. Структура законов эволюции технических систем

Закон увеличения степени вепольности будет изложен в главе 5 (п. 5.6).

Увеличение управляемости веществом, энергией и информацией в данной книги не будет рассматриваться. Ознакомиться с ним можно в [80].

4.4. Законы организации систем

4.4.1. Общие соображения

Законы организации используются при разработке новых систем и представляют собой критерии их работоспособности. Работоспособность – это качественное выполнение главной функции системы.

Законы организации технических систем:

– закон полноты частей системы;

– закон проводимости потоков;

– закон минимального согласования всех элементов системы между собой, с надсистемой и внешней средой

Структура этих законов представлена на рис. 4.6.

4.4.2. Закон полноты частей системы

Необходимым условием принципиальной работоспособности системы является обеспечение ее предназначения и наличие основных работоспособных частей системы.

Предназначение системы определяется ее главной функцией.

К основным частям системы относятся (рис. 4.8):

– рабочий орган;

– источник и преобразователь вещества, энергии и информации;

– связи;

– система управления.

Рис. 4.8. Основные элементы системы

Это минимально необходимый набор частей системы, который обеспечивает ее работоспособность.

Рабочий орган

Рабочий орган (иногда его называют «исполнительный элемент» или «инструмент») выполняет главную функцию системы. Именно рабочий орган непосредственно взаимодействует с изделием, для которого предназначена данная система.

Остальные части системы предназначены для обеспечения работоспособности рабочего органа.

Пример 4.2. Телефон

Телефон имеет два рабочих органа:

– микрофон;

– наушник.

Функция микрофона – преобразование звука в электрические колебания.

Функция наушника – преобразование электрических колебаний в звук.

Пример 4.3. Автомобиль

В транспортных системах рабочим органом является движитель.

Он существенно зависит от среды, в которой будет перемещаться транспорт.

Для перемещения по поверхности земли могут использоваться, например, колеса, гусеницы, лыжи (полозья), ноги и т. д.

Перемещение в воздухе или в воде может осуществляться, например, с помощью винта или реактивной струи воздуха, или воды, соответственно.

В автомобиле рабочий орган – это колесо.

Колесо имеет две функции: перемещать автомобиль и поддерживать его на определенном расстоянии от поверхности дороги.

Источник и преобразователь

Существуют разнообразные источники вещества, энергии и информации.

Имеются природные и искусственные источники вещества.

К природным источникам вещества можно отнести, например, полезные ископаемые, древесину и т. д., а к искусственным – полученные в результате направленной деятельности человечества.

Среди источников энергии можно назвать, например, солнце, ветер, электричество, топливо и т. д. Источники энергии могут быть внешние, внутренние и смешанные.

Источники информации могут быть:

– по виду поля: звуковые (акустические); электромагнитные, включающее электрическое и магнитное поля и весть спектр электромагнитных излучений (радиоволны, терагерцовые, инфракрасные – включая тепловые, видимый свет, ультразвуковые, рентгеновские и жесткие); вкусовые; запаховые; тактильные и т. д.;

– по виду хранения: наскальные, письменные (книги, журналы, газеты и т. д.), электронные (все виды запоминающих устройств, Интернет и т. д.), произведения искусств и т. п.

Известны различные преобразователи вещества, энергии и информации.

К преобразователям вещества можно отнести химические реакции, электричество (например, электролиз, гальванопластика и т. д.), нанотехнологии и т. д.

Среди преобразователей энергии можно назвать двигатели, генераторы, трансформаторы, выпрямители, преобразователи частоты, химические реакции и т. д.

Преобразователями информации служат компьютер, радио, телевизор, телефон и т. д.

Пример 4.4. Телефон

Источник вещества – разные металлы и пластмассы.

Преобразователь вещества – отсутствует.

Источник энергии – электричество.

Стационарный телефон имеет только внешний источник энергии – телефонная сеть. Радиотелефон и мобильный телефоны имеют внешний и внутренний источники энергии, т. е. смешанные источники. В трубке радиотелефона имеются аккумуляторы, а база присоединена к электрической сети. Мобильный телефон тоже имеет аккумулятор, который заряжается от электрической сети.

Преобразователь энергии – магнитное поле, пьезо- или магнитострикционный преобразователи.

Источник информации – звук (голос).

Преобразователь информации – телефон в целом.

Пример 4.5. Автомобиль

Источник вещества – различные вещества из которых сделан автомобиль и топливо.

Преобразователь вещества – двигатель.

Источник энергии – топливо.

Топливо имеется внутри автомобиля в бензобаке – внутренний источник энергии, который пополняется извне – заправочная станция (внешний источник).

Преобразователь энергии – двигатель. Он же является преобразователем вещества. Кроме того, в автомобиле имеется источники электрической энергии: аккумулятор и преобразователь механической энергии в электрическую – генератор. Пополнение электрической энергии осуществляется за счет вращения коленчатого вала.

Связи

Связи должны обеспечивать:

1) подвод необходимых и достаточных:

– веществ;

– энергии;

– информации.

2) организацию потоков (вещества, энергии и информации).

3) обеспечение системных свойств.

4) отсутствие вредных воздействий (вредных потоков):

– внутренние связи не должны осуществлять вредных воздействий между элементами системы (вредные потоки);

– внешние связи не должны осуществлять вредных воздействий системы на надсистему и окружающую среду и противостоять вредным воздействиям окружающей среды и надсистемы на систему (вредные потоки).

Связи можно разделить по признакам:

1. Уровень взаимодействия:

– внутренние связи;

– внешние связи.

2. Вид связи:

– вещественные;

– энергетические;

– информационные.

3. Полезность:

– полезные связи;

– нейтральные связи;

– вредные связи.

4. Наличие:

– присутствующая связь;

– отсутствующая связь.

5. Временные характеристики:

– постоянная связь;

– временная связь;

– динамическая связь.

6. Вид контакта:

– контактные.

– бесконтактные.

Внутренние связи – это связи внутри системы. Один из видов внутренних связей – это сборка элементов системы в корпусе.

Внутренние связи в системе:

– создают структуру системы;

– обеспечивают функциональность системы за счет организации потоков;

– не должны создавать нежелательные и вредные воздействия в системе.

Внешние связи – это связи с надсистемой, включая изделие, для которого предназначена система, и связи с внешней средой. Внешние связи системы определяют работоспособность системы при взаимодействии с надсистемой и внешней средой и отсутствие отрицательных внешних воздействий на надсистему и окружающую среду.

Вещественные связи – это контактные связи, чаще всего механические, например, соединение деталей в корпусе, соединение проводов, труб, трансмиссии и т. д.

К энергетическим связям могут быть отнесены, например, электрические провода и кабели, топливные трубопроводы и т. д.

К информационным связям могут быть отнесены, например, провода, по которым осуществляется передача информации, контроль и управление, все виды беспроводной связи.

Полезные связи обеспечивают выполнение полезных функций.

Нейтральные связи – это, как правило, лишние связи, не создающие полезной работы и не выполняющие полезных функций. Это избыточные связи, которые желательно устранить.

Вредные связи – это связи, создающие вредные действия (вредные функции). Этот вид связей необходимо устранять в первую очередь.

Отсутствующая связь. Бывают случаи, что при проектировании не учли какую-то полезную связь или после проектирования возникла необходимость в новой связи, а она не предусмотрена. Такую связь мы называет отсутствующей.

Постоянная связь – это связь, которая не меняется в процессе работы системы, например, связь элементов в корпусе.

Временная связь – это связь, которая со временем исчезает, например, стрела имеет связь с луком только во время прицеливания.

Динамическая связь – это связь, изменяющаяся во времени, например, в телефоне имеется связь с абонентом только во время разговора, потом она отключается. При необходимости эта связь может быть восстановлена. Практически в любом электронном приборе, транзистор подключает и отключает сигнал.

Контактные связи осуществляются с помощью веществ – вещественные связи (механические соединения, трубопроводы, провода и т. п.).

Бесконтактные связи осуществляются с помощью полей (весь диапазон электромагнитных излучений: радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновские и гамма-излучения; электрическое и магнитное поля; звуковые поля и т. д.).

Приведем примеры связей.

Пример 4.6. Телефон

К вещественным связям относятся (например, различные механические соединения частей телефона, линии передачи). К энергетическим связям относятся (например, провода и кабели). К информационным связям могут быть отнесены (например, провода, по которым осуществляется передача голоса и управление, все виды беспроводной связи).

Внутренние связи. Все виды связей внутри телефона: механические крепления, провода и т. д. Внешние связи. Провода, соединяющие телефон и розетку, розетку и распределительный щит, кабели, связывающие распределительный щит и АТС, беспроводная связь и т. д.

Пример 4.7. Автомобиль

К вещественным связям относятся (например, различные виды механических соединений, креплений, трансмиссии). К энергетическим связям могут быть отнесены (например, электрические провода и кабели, топливные трубопроводы). К информационным связям могут быть отнесены (например, провода, по которым осуществляется передача информации, контроль и управление, все виды беспроводной связи).

Внутренние связи. Все механические крепления и передачи, электрические провода и т. д. Внешние связи. Связь колеса с дорогой, воздействие окружающей среды на автомобиль и т. д.

Система управления

Система управления обеспечивает функции контроля и управления объектом. Приведем примеры систем управления.

Пример 4.8. Телефон

Современный телефон имеет достаточно сложную систему управления, состоящую из клавишей ввода информации, процессора, памяти и т. п. Имеется отдельная система управления встроенными камерами.

Пример 4.9. Автомобиль

В систему управления автомобилем входят помимо рулевого управления и педалей, бортовой компьютер, осуществляющий управление всеми элементами автомобиля.

К основным частям системы можно отнести и корпус. Он не является минимально необходимым. Отдельные системы могут обходиться и без него, но большинство систем имеют корпус.

Приведем пример системы без корпуса.

Пример 4.10. Лампочка

При разработке необитаемой космической станции возникла задача размещения лампы – не достаточно места для ее размещения.

Затем вспомнили, что лампа будет работать в космосе. Следовательно, колба лампы не нужна и лампа без корпуса (колбы) свободно размещалась.

Существуют виды систем, где корпус является минимально необходимым, например, судно. В водоизмещающих суднах корпус выполняет функцию удержание на плаву.

Набор всех основных частей системы представлен на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Основные элементы системы

Разработка новой системы должна начинаться с определения всех системных свойств. Прежде всего, начинают с функциональности системы.

Полнота может быть функциональная и структурная.

Функциональная полнота должна обеспечивать главную функцию системы, и выполнять все основные и вспомогательные функции, т. е. выполнять предназначение системы.

Функции

Пример 4.11. Телефон

Главная функция телефона – передавать звук.

Основные функции: обеспечение энергией и управлением.

Вспомогательные функции, например, иметь в памяти постоянные номера телефонов (адресная книга), определение номера звонившего и т. п.

Пример 4.12. Автомобиль

Главная функция транспортных систем – перемещение объекта на определенное расстояние.

Основные функции: обеспечение энергией и управлением.

Вспомогательные функции, например, обеспечение безопасности движения, обеспечение комфорта, возможность слушать радио и т. п.

Структурная полнота должна обеспечить наличие необходимых элементов и связей системы, т. е. выполнять другое требование системности – обеспечение состава и структуры системы.

Элементы и связи могут быть:

– вещественные;

– энергетические;

– информационные.

Они должны содержаться в необходимом количестве и обеспечивать определенное качество. Опишем в общем случае элементы.

Элементы

К вещественным элементам относятся, например, все механические части, в частности, корпус.

К энергетическим элементам относятся топливо, источники и преобразователи различных видов энергии.

К информационным элементам могут, например, относится элементы системы управления, обработки, хранения и передачи информации.

Пример 4.13. Телефон

К вещественным элементам относятся, например, микрофон, наушник, корпус и т. д. К энергетическим элементам относятся источники электрического тока. К информационным элементам могут, например, относится элементы системы управления, преобразования и передачи звука, АТС, линии передачи сигналов и т. п.

Пример 4.14. Автомобиль

К вещественным элементам относятся, например, все механические части, в частности, корпус, подвеска и т. п. К энергетическим элементам относятся топливо, топливный бак, двигатель, аккумулятор и т. д. К информационным элементам, например, относится элементы системы управления, обработки, хранения и передачи информации.

4.4.3. Закон проводимости потоков

Необходимым условием принципиальной работоспособности системы является проход потоков вещества, энергии и информации к требуемому элементу системы.

Вещества, энергия и информация должны проходить от исходного элемента к требуемому элементу, 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.

Потоки могут быть:

– вещественные;

– энергетические;

– информационные.

Потоки

Вещественный поток 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 транспортеров 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, химическую и другие виды энергии.

Информационный поток обеспечивает проход информации от системы управления к требуемым элементам и от них к системе управления. Информационный поток может осуществляться с помощью, например, проводов и всех видов беспроводной связи, по которым осуществляется передача информации, контроль и управление.

Пример 4.15. Телефон

Энергетический поток – это доставка электрической энергии от источника к рабочим органам (наушнику и микрофону) и системе управления.

Информационный поток – это доставка сигналов к рабочим органам, системе управления и обратно.

Пример 4.16. Автомобиль

Вещественный поток, например, передача топлива от бензобака к двигателю.

Энергетический поток – это доставка механической энергии от двигателя к рабочему органу – колесам; доставка топлива от бензобака к двигателю; доставка электрической энергии от аккумулятора или генератора к электрической системе автомобиля.

Информационный поток – это доставка сигналов от необходимых элементов к системе управления и обратно и т. д.

Пример 4.17. Вещество в твердом состоянии

Пневматическая подача сыпучих веществ, например, песка на расстояние по трубопроводам, пескоструйка, доставка шариков и т. п.

В производстве бетона в бетономешалку подается потоки веществ в твердом состоянии (цемента, песка, гравия) и в жидком состоянии (воды).

Пример 4.18. Вещество в жидком состоянии

Водопроводы, сточные потоки, нефтепроводы, системы подачи жидкого топлива, молокопроводы и т. п.

Пример 4.19. Вещество в гелеобразном состоянии

Системы подачи масел и смазок, транспортировка крема на парфюмерных фабриках и т. п.

Пример 4.20. Вещество в газообразном состоянии.

Разнообразные пневматические системы и трубопроводы с жатым воздухом, системы подачи кислорода, например, в больницах, системы создания вакуума и т. д.

Пример 4.21. Транспортировка объектов

Объекты могут транспортироваться:

– по земле;

– под землей;

– по воде;

– под водой;

– воздушным путем;

– в космосе;

– внутри помещений;

– внутри объекта;

– и т. д.

Для этого используются все виды транспортных средств. Внутри помещений, например, используют эскалаторы, лифты, пневматическую почту и т. д.

4.4.4. Закон минимального согласования частей и параметров системы

Необходимым условием принципиальной работоспособности системы является минимальное согласование частей и параметров системы и системы с надсистемой.