Законы и закономерности развития систем. Книга 3
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»5.
Эта закономерность была открыт итальянским экономистом и социологом Вильфредо Парето (Vilfredo Federico Damaso Pareto) в 1897 году. Она получила 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, вспомогательные и дополнительные функции.
Функциональная избыточность
Главная функция
Пример 13.14. Телефон
Главная функция телефона – передавать звук, в частности голос. Необходимо подобрать вспомогательные функции, обеспечивающие передачу звука, – это принятие и передача звука. Эти функции выполняются микрофоном и наушником.
Пример 13.15. Автомобиль
Главная функция транспортных систем – перемещение объекта на определенное расстояние. Эту функцию выполняет рабочий орган. В зависимости от среды перемещения меняется его структура. У автомобиля – это колесо.
Основные функции
Пример 13.16. Телефон
Помимо главной функции (передача звука) телефон для обеспечения работоспособности выполняет основные функции, обеспечивающие передачу звука: например, набор номера (наборное поле), обеспечение энергией (источник энергии) и т. д. Кроме того, у современного телефона (смартфона) много других, дополнительных функций и телефон имеет функций больше чем компьютер.
Пример 13.17. Автомобиль
Помимо главной функции (перемещение объекта) автомобиль для обеспечения работоспособности выполняет основные функции, обеспечивающие энергию и информацию, например, преобразование энергии (двигатель), хранение энергии (топливный бак), передача энергии (трансмиссия), изменение скорости (коробка передач), управление (рулевое управление, педали) и т. д.
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 (в частности, трансмиссии).
Структурная избыточность
Пример 13.18. Телефон
Помимо рабочего органа (микрофона и наушника) телефон для обеспечения работоспособности имеет другие элементы, например, наборное поле, источник энергии и т. д.
Пример 13.19. Автомобиль
Помимо рабочего органа (колеса) автомобиль для обеспечения работоспособности имеет другие элементы, например, двигатель, топливный бак, трансмиссию, коробку передач, рулевое управление и т. д.
Пример 13.20. Компьютер IBM
Одной из самых первых корпораций, взявших на вооружение принцип 80/20 и наиболее успешно использовавших его, была IBM. Вот почему большинство специалистов по компьютерным системам, получивших профессиональную подготовку в 1960-х и 1970-х гг, хорошо знают эту теорию. В 1963 году в IBM обнаружили, что примерно 80% компьютерного времени тратится на обработку 20% команд программы. Компания немедленно переделала системное программное обеспечение так, чтобы наиболее используемые 20% были наиболее доступны и удобны для пользователя, что сделало компьютеры IBM в большинстве приложений более эффективными и быстрыми в большинстве приложений, чем машины конкурирующих компаний.
Разработчики персональных компьютеров и программного обеспечения нового поколения, например, Apple, Lotus, Microsoft, применяли принцип 80/20 с еще большей изощренностью и сделали свои машины более дешевыми и простыми в работе. Этим они завоевали новые массы покупателей, которые раньше бежали бы от компьютера как от огня.
Такое же соотношение характерно для выполнения любого вида работы. Основная часть работы (80—90% готовности) выполняется за 20% времени, а доведение ее до конца требует еще 80% времени.
В связи с этим часто работу не доводят до конца.
Пример 13.21. Разработка компьютерных программ
Многие программные компании выпускают на рынок не полностью отработанные программы, и пользователи сообщают компании об имеющихся ошибках.
Компания Microsoft пошла еще дальше: в программе Windows XP и более продвинутых программах при появлении ошибки, специальная программа «Error Reporting» (рис. 13.4) сама сообщает компании о виде ошибки.
Возникла новая задача. Нужно отработать все ошибки. Это очень большая работа.
Специалисты компании поступили в соответствии с законом Парето. Они отбирали 20% ошибок, которые встречаются в 80% случаях, и обрабатывали только 20% ошибок, которые устраняли 80% проблем.
Рис. 13.4. Программа Error Reporting
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.
Пример 13.22. Автоматический выключатель
В электрических сетях имеется автоматические выключатели (рис. 13.5) на отдельные сети, например, на отдельные розетки или осветительные приборы. Отдельные автоматические переключатели имеются на сильные и слабые токи. Имеется отдельный автоматический переключатель на отдельные комнаты, на всю квартиру, на весь дом и т. д. Отдельные выключатели имеются на пробой по фазе или на короткое замыкание.
Рис. 13.5. Автоматический выключатель
Пример 13.23. Подводная лодка
В качестве примера избыточности рассмотрим подводную лодку, которая предназначена для уничтожения объекта противника, например, используя ракеты. Часть ракеты, которая осуществляет разрушение – боеголовка, а еще более точно не вся боеголовка, а взрывчатое вещество (ВВ) – это рабочий орган. Таким образом, для уничтожения объекта противника нужно только ВВ – все остальное избыточно. В табл. 13.1 показаны значения стоимостей и веса подводной лодки, ракеты, боеголовки и их соотношения, на примере атомной подводной лодки класса «Вирджиниа» SSN-7746 (рис. 13.6), вооруженной крылатыми ракетами BGM-1097 (рис. 13.7). Стоимость боевой головки ракеты составляет 0,0004%, а вес боеголовки составляет 0,006%. Соотношение с ВВ будет еще меньшим!!
Таблица 13.1. Атомная подводная лодка класса Вирджиниа (SSN-774 class)
Рис. 13.6. Атомная подводная лодка SSN-774
Рис. 13.7. Крылатая ракета Tomahawk BGM-109
13.4. Закон проводимости потоков
13.4.1. 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.
13.4.2. Потоки
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).
Потоки
Пример 13.24. 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 13.25. 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., и т. п.
Вещественный поток
Пример 13.26. 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 подаются потоки веществ в твердом состоянии (цемента, песка, гравия) и в жидком состоянии (воды).
Пример 13.27. Вещество в жидком состоянии
Водопроводы, сточные потоки, нефтепроводы, системы подачи жидкого топлива, молокопроводы и т. п.
Пример 13.28. Вещество в гелеобразном состоянии
Системы подачи масел и смазок, транспортировка крема на парфюмерных фабриках и т. п.
Пример 13.29. Вещество в газообразном состоянии
Разнообразные пневматические системы и трубопроводы со сжатым воздухом, газопроводы, системы подачи кислорода, например, в больницах, системы создания вакуума и т. д.
Пример 13.30. 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.
13.5. Закон минимального согласования системы
13.5.1. 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 в книге 1): 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, 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.
13.5.2. Функциональное согласование
Функциональное согласование – это согласование функций между собой. Оно осуществляется при формировании функциональной модели для синтеза новых систем.
Главная функция должна согласовываться с предназначением системы. Основные функции должны согласовываться с главной. Каждая из вспомогательных функций должна согласовываться с соответствующей основной функцией.
Примеры согласования главную функцию системы с предназначением, были представлены раньше (примеры 13.1 и 13.2).
Опишем согласование некоторых из основных функций с главной и вспомогательных с основными.
Пример 13.31. Телефон
Основная функция телефона преобразование получаемых и исходящих звуковых сигналов согласуется с главной функцией;
Вспомогательные функции – например, иметь в памяти постоянные номера телефонов (адресная книга), определение номера звонившего и т. п.
Пример 13.32. Автомобиль
Основная функция автомобиля вращение колес согласуется с главной функцией перемещение объекта.
Вспомогательная функция обеспечение энергии для вращения колес согласуется с основной функцией вращение колес.
13.5.3. 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.
Пример 13.33. Телефон
В первом телефонном аппарате Антонио Меуччи (Antonio Meucci) микрофон и наушник были механически не связаны друг с другом и их подносили к уху и рту (рис. 13.8), поэтому он подходил для любого человека. Затем микрофон закрепили в корпусе, а наушник снимали и подносили к уху (рис. 13.9), поэтому такой аппарат подходил не каждому, так как одним нужно было дотягиваться до микрофона, а другим наклоняться к нему.
В дальнейшем, создали трубку и расстояние между микрофоном и наушником стали рассчитывать на среднестатистического человека (расстояние между ухом и ртом). Поэтому для кого-то эта трубка была слишком большой, а для кого-то – слишком маленькой. Это типичный пример не согласованности параметров (размера трубки и расстояния ото рта до уха у каждого человека).
В современных телефонах эту проблему решили с помощью чувствительности микрофона и громкой связи или наушников и выносного микрофона.
Рис. 13.8. Первый телефон Антонио Меуччи (Antonio Meucci)
Рис. 13.9. Старинный телефон8
Пример 13.34. Телефон
Источник питания в телефоне согласуется со всеми элементами. На каждый из элементов подается необходимое для него напряжение. Согласование элементов системы (параметрическое согласование).
Пример 13.35. Телефон
В сотовых телефонах частота принимаемого и передаваемого сигнала согласована с частотой приемных и передающих устройств – ретрансляторов. Согласование с надсистемой (параметрическое согласование).
Пример 13.36. Автомобиль
Двигатель согласуется с рабочим органом (колесом). Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) согласуется с колесом посредством трансмиссии. Электрический двигатель согласуется с колесом, тем, что он находится непосредственно в каждом из колес.
Двигатель согласуется с источником энергии. ДВС с источником жидкого топлива, электродвигатель – с источником электрической энергии.
Все элементы согласуются с системой управления.
Согласуются все связи между элементами.
13.5.4. Функционально-структурное согласование
Функционально-структурное согласование – это соответствие структуры системы ее функциям, т. е. согласование структуры и функций.
Пример 13.37. Телефон
Функция передача звуковой информации согласуется с микрофоном.
Функция прием звуковой информации согласуется с наушником.
Функция преобразования звукового сигнала в электрический осуществляется (согласуется) микрофоном. Функция преобразования электрического сигнала в звуковой осуществляется (согласуется) наушником.
Пример 13.38. Автомобиль
Функция перемещения согласуется с колесом.
Функция вращения колеса согласуется двигателем – при использовании ДВС посредством трансмиссии, а электродвигателя непосредственно с колесом.
13.5.5. Параметрическое согласование
Параметрическое согласование – это согласование всех параметров системы между собой.
Пример 13.39. Телефон
Частоты принимаемых и передаваемых сигналов согласуются с ретрансляционными станциями. Напряжение, поступающее от источника питания (аккумулятора) согласуется каждым из элементов, куду поступает эта энергия и т. д.
Пример 13.40. Автомобиль
В автомобиле согласуется много различных параметров (габаритно-весовые, скорость вращения двигателя, параметры топлива, присадок и смазочных материалов и т. д.).
13.6. Построение новой системы
13.6.1. Общий подход
Для построения новых систем используется системный подход, включающий системный анализ и системный синтез (п. 1.7.2, книга 1).
Системный анализ имеет два направления:
1. Выявление принципа действия, главной функции и потребности исследуемой системы;
2. Выявление недостатков (п. 1.7.3, книга 1).
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 (глава 12, книга 2). Альтернативные потребности можно выявить, используя закономерности развития потребностей (глава 11, книга 2).
13.6.2. Последовательность построения новой системы
1. Анализ существующих систем
1.1. Бенчмаркинг;
1.2. Анализ выявления недостатков.
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.