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

Владимир Петров

Книга «Законы и закономерности развития систем» уникальна, так как является самым полным описанием законов закономерностей развития систем. Она состоит из четырех томов и представляет собой усовершенствование книг «Законы развития систем» и «Законы и закономерности развития систем. Кроме того, автор сделал книгу более удобной для чтения, разделив ее на 4 отдельных тома. Книга предназначена для людей, интересующихся или занимающихся инновациями, руководителям предприятий и бизнесменам.

Глава 4. Законы построения систем

4.1. Структура законов построения систем

Законы построения предназначены для создания новой работоспособной системы.

Работоспособная система:

‒ отвечает ее предназначению (т. е. выполняет главную функцию системы);

‒ имеет определенную структуру;

‒ структура обеспечивает свободное прохождение необходимых потоков;

‒ система минимально согласована.

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

В связи с этим группа законов построения систем включает (рис. 4.1):

— закон соответствия;

— закон полноты и избыточности системы;

— закон проводимости потоков;

— закон минимального согласования.

Рис. 4.1. Структура законов построения систем

4.2. Закон соответствия

Закон соответствия обеспечивает системное требование предназначение. Этот закон говорит о необходимости соблюдения соответствия структуры главной функции системы.

Структура системы должна обеспечивать выполнение главной функции системы, удовлетворяя определенную потребность. Для обеспечения работоспособности структура системы должна так же выполнять все основные и вспомогательные функции. Структура обеспечивает необходимый набор элементов, связей и взаимодействий между ними. Связи обеспечивают единство системы и возможность прохода потоков.

4.3. Закон полноты и избыточности

4.3.1. Общая информация

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

Полнота и избыточность могут быть функциональными и структурными.

4.3.2. Закономерность полноты

Полнота может быть функциональной и структурной.

Функциональная полнота

Функциональная полнота должна обеспечивать генеральную цель и главную функцию системы, и выполнять все основные и вспомогательные функции, т. е. выполнять одно из требований системности — предназначение.

Функциональную полноту можно рассматривать и как закон функциональной полноты.

Структурная полнота

Структурная полнота должна обеспечить другое требование системности — работоспособность (часть жизнеспособности). Это обеспечивается наличием необходимых элементов (частей) и связей системы, т. е. обеспечение состава и структуры системы.

Структурную полноту можно рассматривать и как закон структурной полноты системы

Элементы могут быть:

— вещественные;

— энергетические;

— информационные.

Они должны содержаться в необходимом количестве и обеспечивать определенное качество.

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, относиться элементы системы управления, обработки, хранения и передачи информации.

К основным частям (элементам) системы относятся (рис. 4.2):

— рабочий орган;

— источник и преобразователь вещества, энергии и информации;

— связи;

— система управления.

Рис. 4.2. Основные элементы системы

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.

Существуют виды технических систем, где корпус является минимально необходимым, например, судно. В водоизмещающих суднах корпус выполнят функцию удержания на плаву.

Набор всех основных частей системы представлен на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Основные элементы технической 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.

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.

Преобразователи информации существуют для каждого из видов информации, их источников и хранения. В информационных системах используют компьютерные способы преобразования информации.

Связи

Связи должны обеспечивать:

• подвод необходимых и достаточных:

— веществ;

— энергии;

— информации;

• организацию потоков (вещества, энергии и информации);

• обеспечение системных свойств;

• отсутствие вредных воздействий (вредных потоков):

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

— внешние связи не должны осуществлять вредных воздействий системы на надсистему, 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 связей:

— вещественные;

— энергетические;

— информационные.

3. Полезность:

— полезные связи;

— бесполезные 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 необходимы для:

— построения структуры системы;

— определения внутренней функциональности системы;

— выявления нежелательных и вредных воздействий в системе.

Внешние связи — это связи с надсистемой, включая изделие, для которого предназначена система, и связи с внешней средой (включая все окружающие системы). Связь с объектом должна обеспечивать выполнения главной функции системы.

Внешние связи системы определяют работоспособность системы при взаимодействии с надсистемой и внешней средой и отсутствие отрицательных внешних воздействий на них. Система должна оставаться работоспособной при воздействии расчетных (заранее заданных) внешний воздействий.

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, бесконтактная передача энергии, например, индукционная и т. д.

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

Полезные связи обеспечивают выполнение полезных функций.

Бесполезные связи — это, как правило, лишние связи, не создающие полезной работы и не выполняющие полезные функции. 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 возникает в случаях, когда 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.).

Система управления

Система управления обеспечивает функции контроля и управления объектом.

Историческая справка

Хотелось бы напомнить, как развивалось понятие «техническая система» начиная с 19 века.

В 1843 г. В. Шульц описал прототип закона полноты частей системы. Он писал, что «можно провести границу между орудием и машиной: заступ, молот, долото и т. д., системы рычагов и винтов, для которых, как бы искусно они ни были сделаны, движущей силой служит человек… все это подходит под понятие орудия; между тем плуг с движущей его силой животных, ветряные мельницы следует причислить к машинам»³⁶.

Чуть позже некоторые законы развития техники были описаны К. Марксом и Ф. Энгельсом.

К. Маркс описал эти законы в разделе «Развитие машин»³⁷: «… различие между орудием и машиной устанавливают в том, что при орудии движущей силой служит человек, а движущая сила машины — сила природы, отличная от человеческой силы, например, животное, вода, ветер и т. д.»³⁸. Далее К. Маркс пишет: «Всякое развитое машинное устройство состоит из трех существенно различных частей: машины—двигателя, передаточного механизма, наконец, машины-орудия, или рабочей машины. Машина-двигатель действует как движущая сила всего механизма. Она или сама передает свою двигательную силу или как паровая машина, калорическая машина, электромагнитная машина и т. д., или же получает импульс извне, от какой-либо готовой силы природы, как водяное колесо от падающей воды, крыло ветряка от ветра и т. д. Передаточный механизм, состоящий из маховых колес, подвижных валов, шестерен, эксцентриков, стержней, передаточных лент, ремней, промежуточных приспособлений и принадлежностей самого разного рода, регулируют движения, изменяет, если это необходимо, его форму, например, превращает из перпендикулярного в круговое, распределяет его и переносит на рабочие машины. Обе эти части механизма существуют только затем, чтобы сообщить движение машине-орудию, благодаря чему она захватывает предмет труда и целесообразно изменяет его.… Первоначально „машина-орудие“ (рабочая машина) представляла в очень измененной форме все те же аппараты и орудия, которыми работают ремесленник или мануфактурный рабочий, но это уже орудия не человека, а орудия механизма, или механические орудия»³⁹.

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.

Примечания

36

Wilhelm Schulz «Die Bewegung der Produktion». Eine geschichtlich-statistische Abhandlung zur Grundlegung einer neuen Wissenschaft des Staats und der Gesellschaft». Zürich und Winterthur, 1843, p. 38 (В. Шульц. «Движение производства. Историко-статистическое исследование для обоснования новой науки о государстве и обществе». Цюрих и Винтертур, 1843. — C. 38).

37

Маркс К. Капитал. — Маркс К., Энгельс Ф. Сочинения. Изд. 2-е. — М.: Политиздат, 1960, Т. 23. Глава XIII «Машины и крупная промышленность». — C. 382‒396.

38

Маркс К. Капитал. — Маркс К., Энгельс Ф. Сочинения. Изд. 2-е. — М.: Политиздат, 1960, Т. 23. Глава XIII «Машины и крупная промышленность». — C. 383.

39

Маркс К. Капитал. — Маркс К., Энгельс Ф. Сочинения. Изд. 2-е. — М.: Политиздат, 1960, Т. 23. Глава XIII «Машины и крупная промышленность». — C. 383‒384.

40

Альтшуллер Г. С. Как научиться изобретать. — Тамбов: Кн. изд., 1961, 128 с. — С. 56. Альтшуллер Г. Как работать над изобретением. О теории изобретательства. — Азбука рационализатора. — Тамбов, Кн. Изд-во, 1963. 352 с. — С. 276. Альтшуллер Г. Как работать над изобретением. О теории изобретательства. — С. 300‒301.

41

Альтшуллер Г. С. О законах развития технических систем. — Баку, 20.01.1977.

42

Альтшуллер Г. С. Творчество как точная наука. Теория решения изобретательских задач. — М.: Сов. радио, 1979. — 184 с. — Кибернетика. — С. 113‒127.

43

Альтшуллер Г. С. Законы развития технических систем. — Альтшуллер Г. С. Дерзкие формулы творчества. — Дерзкие формулы творчества/ (Сост. А. Б. Селюцкий). — Петрозаводск: Карелия, 1987. — 269 с. — (Техника-молодежь-творчество). — С. 61‒65.

44

Закон Парето — материал из Википедии.

45

Петров Владимир. Системный анализ продвижения продукта на рынок: ТРИЗ / Владимир Петров. [б. м.]: Издательские решения, 2018. — 26 с. — ISBN 978-5-4493-0972-3

Петров Владимир. Управление инновациями: Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ) / Владимир Петров. — [б. м.]: Издательские решения, 2020. — 130 с. — ISBN 978-5-0051-0072-6