Основы ТРИЗ. Теория решения изобретательских задач. Издание 3-е, исправленное и дополненное

Владимир Петров

3-е издание учебника посвящено системному изложению теории решения изобретательских задач (ТРИЗ). Текст учебника уже публиковался отдельной книгой «Основы ТРИЗ, 2-е издание». В книге рассмотрены методы постановки и решения нестандартных задач, законы развития систем, вепольный анализ, способы разрешения противоречий, выявления, использования ресурсов и способы развития творческого мышления.Книга предназначена бизнесменам, инженерам, изобретателям, и людям, решающим творческие задачи.

Глава 4. ЗАКОНЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ

…понятие закона есть одна из ступеней познания человеком единства и связи, взаимозависимости и цельности мирового процесса.

Георг Вильгельм Фридрих Гегель

…эффективная технология решения изобретательских задач может основываться только на сознательном использовании законов развития технических систем

Генрих Альтшуллер

Содержание главы 4:

4.1. Общие представления.

4.2. Закон S — образного развития систем.

4.3. Структура законов и закономерностей развития систем.

4.4. Законы построение систем.

4.4.1. Общие соображения.

4.4.2. Закон полноты частей системы.

4.4.3. Закон проводимости потоков.

4.4.4. Закон минимального согласования.

4.4.5. Построение новой системы.

4.5. Закономерности эволюции систем.

4.5.1. Общие сведения.

4.5.2. Закономерности увеличения степени управляемости.

4.5.3. Закономерности увеличения степени динамичности.

4.5.4. Закономерности перехода на микроуровень.

4.5.5. Закономерности перехода системы в надсистему

4.5.6. Закономерности увеличения степени согласованности.

4.5.7. Закономерности свертывания развертывания систем.

4.5.8. Закономерности неравномерности развития частей системы.

4.6. Закономерности развития технических систем Г. С. Альтшуллера.

4.7. Прогнозирование развития технических систем.

4.1. Общие представления

Развитие любых объектов материального мира, природы, различных областей знаний, деятельности и мышления развиваются по своим определенным законам.

Законы носят объективный характер, выражая реальные отношения вещей, а также их отражение в сознании. Законы развития технических систем — это основа ТРИЗ.

Закон — внутренняя существенная и устойчивая связь явлений, обусловливающая их упорядоченное изменение.

Выявлением закономерностей развития техники занимались достаточно давно [48], [64].

Первая система законов развития технических систем была разработана Г. С. Альтшуллером [19, С. 113—127]. Она будет описана в п. 4.6.

Ниже будут представлена система законов и закономерностей развития систем и методика прогнозирования, разработанные автором. Сначала представим общую систему законов и закономерностей.

Система законов и закономерностей разбита на безусловные и небезусловные. Безусловные будем называть законами, а небезусловные — закономерностями. Безусловные — это те, не соблюдение которых приводит к неработоспособности системы. Небезусловные — это закономерности, которые реализуются только в определенных условиях, а при других условиях могут и не реализоваться.

Развитие любых объектов материального мира, природы, различных областей знаний, деятельности и мышления происходит по своим определенным законам.

Законы носят объективный характер, выражая реальные отношения вещей, а также их отражение в сознании. Закономерности могут иметь и противоположные тренды и в зависимости от конкретных условий могут использоваться тренд или его противоположность анти-тренд.

Законы и закономерности развития систем могут быть:

— Всеобщие — это универсальные законы, справедливые для любой системы независимо от ее природы, вследствие единства материального мира. Самые общие из них — законы диалектики и закономерность S-образного развития;

— Законы и закономерности развития систем, присущие для всех антропогенных систем;

Законы и закономерности существуют для построения и эволюции системы.

При эволюции систем часто используются не только тренды, но и анти-тренды. Именно поэтому мы из называем закономерностями эволюции систем.

Структура законов и закономерностей развития систем представлена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Структура законов и закономерностей развития

Наиболее общие из законов диалектики [48], [64] следующие:

— закон перехода количественных изменений в качественные;

— закон единства и борьбы противоречий;

— закон отрицания отрицания.

Законы и закономерности развития систем можно разделить на две группы (рис. 4.2):

— законы построения систем (определяющие работоспособность системы);

— закономерности эволюции систем (определяющие развитие систем).

Рис. 4.2. Схема закономерностей развития систем

Законы построения систем должны обеспечивать требования системности:

— предназначение;

— работоспособность.

Закономерности эволюции систем должны обеспечивать другие требования системности:

— конкурентоспособность;

— не влиять отрицательно на окружение;

— учитывать закономерности эволюции систем.

Почему для построения систем мы используем именно законы? Так как не выполнение этих требований (законов) приводит к неработоспособности системы. Т.е. не соблюдение законов построения систем приводит или к полной или частичной неработоспособности системы. Система может не работать с самого начала или перестанет функционировать через некоторое время, т.е. будет не надежной.

Структура законов построения систем будут изложены в п..4.4, а структура закономерностей эволюции в п..4.5.

В данной книге не будут рассматриваться законы диалектики. Полное описание системы законов и закономерностей можно посмотреть в [81].

4.2. Закон S—образного развития систем

4.2.1. Общие представления

Любая система (в том числе и техническая) проходит несколько этапов своего развития. Эти этапы графически можно представить в виде кривой (рис. 4.3).

Рис. 4.3. S — образная кривая ростаГде: P — параметр системы, t — время.

В качестве параметра «P» могут быть, прежде всего, главные характеристики системы, например, размеры, скорость, мощность, производительность, количество проданных товаров, продолжительность жизни, количество популяций и т. д.

Вначале система развивается медленно (этап I), при достижении некоторого уровня развитие ускоряется (этап II) и после достижения некоторого более высокого уровня скорость роста уменьшается и в конечном итоге рост параметра системы прекращается (этап III).

Это этап сатурации, который может продолжиться очень долго. Иногда параметры начинают уменьшаться (этап IV) — система «умирает» (на графике это изображено пунктирной линией).

Подобные кривые часто называют S — образными или логистическими (логиста).

Развитие по S-образной кривой первоначально было открыто для биологических систем.

Для технических систем:

— Этап I — «зарождение» системы (появление идеи вплоть до изготовления и испытания опытного образца).

— Этап II — промышленное изготовление системы и доработка системы в соответствии с требованиями рынка.

— Этап III — незначительное «дожимание» системы, как правило, основные параметры системы уже не изменяются, происходят «косметические» изменения, оптимизация параметров и доработка технологии изготовления, не существенные изменения внешнего вида или упаковки. На этом этапе происходит значительное расширение рынка сбыта и переход к массовому изготовлению.

— Этап IV — параметры системы могут не изменяться или ухудшаться. Ухудшения могут вызываться несколькими фактами:

— следование моде, влияние экономической, социальной или политической ситуации, религиозные ограничения и т. п.;

— физическое и/или моральное старение системы.

Часто, на участке IV система прекращает свое существование или утилизируется.

Иногда этапы жизненного цикла представляю в виде шляпо-образной кривой (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Шляпо-образная кривая развития

Где P — параметр, t — время

В теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) развитие систем по S — образной кривой называют «Закон S — образного развития систем».

Для полноты картины рекомендуем самостоятельно рассмотреть и другие линии развития, связанные с S-образной кривой, которые были разработаны Г. С. Альтшуллером и рассмотрены в его работе: «Линии жизни» технических систем [19, С. 113—119].

4.2.2. Огибающие кривые

Прекращение роста данной системы не означает прекращение прогресса в этой области. Появляются новые более совершенные системы — происходит скачок в развитии. Это типичный пример проявления закона перехода количественных изменений в качественные. Такой процесс изображен на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Скачкообразное развитие систем

На смену системе 1 приходит 2. Скачкообразное развитие продолжается — появляются системы 3, 4 и т. д. (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Огибающая кривая

Общий прогресс в отрасли можно показать при помощи касательной к данным кривым (пунктирная линия) — так называемой огибающей кривой.

Развитие любого вида техники может быть примером, подтверждающим этот закон.

Пример 4.1. Развитие радиоэлектроники

Опишем качественные скачки в развитии радиоэлектроники:

1. радио (детекторный приемник).

2. лампа:

— диод;

— триод;

— тетрод;

— пентод и т. д.;

3. транзистор;

4. микросхема;

5. вакуумная наноэлектроника.

График развития радиоэлектроники показан на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Развитие электроники

4.3. Структура законов и закономерностей развития систем

Напомним, что законы и закономерностей развития систем можно разделить на две группы (рис. 4.8):

1. Законы построения систем (определяют работоспособность системы);

2. Закономерности эволюции систем (определяют развитие систем).

Рис. 4.8. Схема законов и закономерностей развития систем

Подобная схема характерна и другим законам.

1. Законы построения предназначены для построения новой работоспособной системы. Группа законов организации технических систем включает (рис. 4.9):

— закон полноты и избыточности частей системы;

— закон проводимости потоков;

— закон минимального согласования.

Рис. 4.9. Структура законов построения систем

2. Закономерности эволюции систем предназначены для улучшения, совершенствования существующих систем. Они показывают общее направление развития систем и тенденции их изменения. Основные закономерности эволюции систем (рис. 4.10):

— закономерность увеличения степени идеальности;

— закономерность увеличения степени управляемости и динамичности;

— закономерность перехода в надсистему;

— закономерность перехода на микроуровень;

— закономерность согласования;

— закономерность свертывания — развертывания;

— закономерность неравномерности развития частей системы.

Закономерность увеличения степени управляемости и динамичности систем имеет свои закономерности:

— увеличение степени вепольности;

— увеличение управляемости веществом, энергией и информацией.

Рис. 4.10. Структура закономерностей эволюции систем

Закономерность 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 [81].

4.4. Законы построения систем

4.4.1. Общие соображения

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

Законы построения 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. 4.11.

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. 4.11):

— рабочий орган;

— источник и преобразователь вещества, энергии и информации;

— связи;

— система управления.

Рис. 4.11. 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. Луна-16

Советская автоматическая межпланетная станция «Луна-16» была создана, чтобы взять грунт Луны и вернуть образец на Землю.

Станция разрабатывалась и испытывалась в конце 60-х годов 20 века.

Для освещения поверхности Луны была создана мощная лампа накаливания.

При испытании станции оказалось, что в месте соединения цоколя и колбы образуются микротрещины от вибрации во время посадки.

Воздух попадал в лампу, и она практически мгновенно перегорала.

Было предложено много способов ослабить или вообще устранить воздействия вибрации на лампу.

Замена лампы накаливания другими типами, например дуговой лампой и т. д.

Все они оказались не приемлемы. Как быть?

Решение

На Луне крайне разряженная газовая оболочка и отсутствие кислорода. Значит для лампы колба не нужна.

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. 4.12.

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

Полнота может быть функциональная и структурная.

Рис. 4.12. Основные элементы системы

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 веществможет 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.

Минимальное согласование проводится по функциям, структуре, соответствию структуры функциям и параметрическое согласование, обеспечивая необходимые взаимосвязи и взаимовлияния. Таким образом, согласование бывает:

— функциональное;

— структурное;

— функционально-структурное;

— параметрическое.

Функциональное согласование — это согласование функций между собой. Оно осуществляется при формировании функциональной модели для синтеза новых систем.

Функционально-структурное согласование — это соответствие структуры системы ее функциям, т. е. согласование структуры и функций.

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.

В минимальное согласование входит и параметрическое согласование.

Пример 4.22. Телефон

В первом телефонном аппарате Антонио Меучи (Antonio Meucci) микрофон и наушник были механически не связаны друг с другом и их подносили к уху и рту, поэтому это подходило для любого человека. Затем микрофон закрепили в корпусе, а наушник снимался, и его подносили к уху. Согласование ухудшилось, так как микрофон находился на определенной высоте, и кому-то было удобно, а кому-то — нет.

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 несогласованности параметров (размера трубки и расстояния ото рта до уха).

В современных телефонах эту задачу решили с помощью чувствительности микрофона и громкой связи.

Пример 4.23. Телефон

Источник питания в телефоне согласуется со всеми элементами. На каждый из элементов подается необходимое для него напряжение. Согласование элементов системы (параметрическое согласование).

Пример 4.24. Телефон

В сотовых телефонах частота принимаемого и передаваемого сигнала согласована с частотой приемных и передающих устройств ретрансляторов. Согласование с надсистемой (параметрическое согласование).

4.4.5. Построение новой системы

4.4.5.1. Общий подход

Для построения новых систем используется системный подход (п.3.5), включающий системный анализ и системный синтез.

Системный анализ имеет два направления:

1. Выявление принципа действия, главной функции и потребности, которую удовлетворяет исследуемая система (3.5.2);

2. Выявление недостатков (3.5.3).

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. Альтернативные потребности можно выявить, используя закономерности развития потребностей.

Закономерности развития потребностей определяют тенденции их изменения. Это необходимо для определения функций и систем, с помощью которых можно удовлетворить возрастающие потребности. Эти закономерности могут использоваться для прогнозирования новых потребностей.

Закономерности развития потребностей включают:

— закономерность идеализации потребностей;

— закономерность динамизации потребностей;

— закономерность согласования потребностей;

— закономерность объединения потребностей;

— закономерность специализации потребностей.

Закономерности изменения функций описывают тенденции их изменения. Они связаны с закономерностями развития потребностей, но имеют и свою специфику, например, переход систем к поли-функциональности (многофункциональности — универсальности) или, наоборот, к моно-функциональности (одно-функциональности — специализации).

Закономерности изменения функций включат:

— закономерность идеализации функций;

— закономерность динамизации функций;

— закономерность согласования функций;

— закономерность перехода к моно — или полифункциональности.

Подробнее закономерности развития потребностей и изменения функций изложены в [81].

4.4.5.2. 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.

На каждом из этапов, сначала выбирают принцип действия этого элемента, а затем уже сам элемент. Таким образом, выбирается концепция будущей разработки.

4.5. Закономености эволюции систем

4.5.1. Общие сведения

Закономерности эволюции систем предназначены для улучшения, совершенствования существующих систем. Они показывают общее направление развития систем и тенденции их изменения.

Основные закономерности эволюции систем (рис. 4.13):

— закономерность увеличения степени идеальности;

— закономерность увеличения степени управляемости и динамичности;

— закономерность перехода в надсистему;

— закономерность перехода на микроуровень;

— закономерность согласования;

— закономерность свертывания — развертывания;

— закономерность сбалансированного развития системы.

Рис. 4.13. Основные закономерности эволюции систем

Закономерность увеличения степени идеальности является основным законом эволюции. Все остальные законы показывают способы достижения идеальности.

Закономерность увеличения степени управляемости и динамичности систем имеет тенденции

— увеличение степени вепольности;

— увеличение управляемости веществом, энергией и информацией.

Закономерность увеличения степени вепольности описан в п. 4.6.

Увеличение управляемости веществом, энергией и информацией в данной книги не будет рассматриваться. Жту закономерность

4.5.2. Закономерность увеличения степени идеальности

4.5.2.1. Общие понятия законоинрности увеличения степени идеальности

Г. С. Альтшуллер писал: «Понятие об идеальной машине — одно из фундаментальных для всей методики изобретательства».

Общее направление развития систем определяется законом увеличения степени идеальности. Это самая главная закономерность эволюции систем..

Г. С. Альтшуллер сформулировал закон увеличения степени идеальности следующим образом:

Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.

Автор пособия незначительно изменил эту формулировку.

Закономерность увеличения степени идеальности заключается в том, что любая система в своем развитии стремится стать идеальнее.

4.5.2.2. Виды степеней идеализации системы

Условно можно выделить четыре степени идеализации системы:

1. Появляться в нужный момент в нужном месте;

2. Самоисполнение;

3. Идеальная система — функция;

4. Функция становится не нужной.

Система должна появляться в нужный момент в нужном месте

Идеальная система должна появляться в нужный момент в необходимом месте 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).

Нужное действие должно появляться в нужный момент в необходимом месте или при необходимом условии.

Приведем пример идеального воздействия (процесса), совершаемого в нужном месте в нужный момент, не причиняя вреда окружению.

Пример 4.25. Остановка крови

Внутренние кровотечения в полевых условиях практически невозможно остановить. Это часто приводит к смертельным исходам. Особенно это важно во время ведения боевых действий.

Американские ученые разработали технологию DBAC (Deep Bleeder Acoustic Coagulation), позволяющую быстро свертывать кровь путем нагрева до температуры свертывания (от 70° C до 95° C) под воздействием ультразвука.

Обнаружение кровотечения осуществляется с помощью эффекта Доплера.

Для обнаружения кровотечения прибор подает ультразвуковые импульсы и в месте кровотечения наблюдает максимальное смещение частоты сигнала. Так локализуется место кровотечения.

Ультразвуковые волны воздействуют только на пораженный участок и совершенно не влияют на работу расположенных рядом органов.

Пример 4.26. Печать по требованию (Print-on-Demand)

Традиционно книги печатают офсетным способом. Это очень производительная и качественная печать. После этого продукцию необходимо доставить в необходимую страну на конкретный склад, где она хранится до тех пор, пока не будет вся распродана.

Идеально, что бы печаталось только необходимое в данный момент количество экземпляров и в нужном месте.

С появлением цифровой печати стало возможным печатать продукцию по требованию. Эта технология получила название Print-on-Demand. Это высококачественная печать, позволяющая выпустить даже одну книгу. Продукция не хранится на складах, а сразу поступает к заказчику.

Предмет должен появиться только в нужный момент в необходимом месте.

Можно использовать убирающиеся, складные, надувные, заменяемые и съемные предметы или их части. Они не занимают лишнее место и «появляются» в момент, когда они нужны.

Идеальная информация появляется в нужный момент в нужном месте, без затрат времени и усилий на ее поиск.

Самоисполнение

Идеальная система должна выполнять все процессы (действия) самостоятельно (САМА) без участия человека.

Пример 4.27. Каменщики в Петербурге

Для строительства Петербурга не хватало каменщиков. Они не хотели ехать в далекую новую столицу.

Царь Петр I издал указ об освобождении петербургских каменщиков от податей, но эта мера не помогла.

Каменщики сами по собственному желанию должны прибыть на строительство Петербурга.

Петра I издал другой указ, запрещающий возводить во всей России «всякое каменное строение какого бы имени не было, под страхом разорения всего имения и ссылки». Каменные здания стали возводиться только в Петербурге, что и вызвало приток каменщиков.

Достаточно много технических систем, в названии которых есть слово «САМ» — без непосредственного участия человека. Уменьшение участия человека в работе технической системы осуществляется с помощью механизации, автоматизации и кибернетизации, в частности, компьютеризации.

Механизация труда позволяет облегчить выполнение отдельных операций, повысить их производительность и точность изготовления. Создаются специализированные инструменты, приспособления и механизмы.

Пример 4.28. Одевание автомобильных шин на конвейере

Одна из операций при сборке автомобилей — одевание колес. Конвейер находится на определенной высоте, для удобства сборки. При одевании колеса на вал, его нужно или поднимать вручную, или иметь специальное устройство для его поддержания.

Колесо должно подниматься САМО.

Колесо размещают на тележке сверху (рис. 4.14а). Когда необходимо надевать колесо, рабочий нажимает кнопку, тележка наклоняется, колесо падает вниз (рис. 4.14б), ударяется о пол, подскакивает (САМО поднимается). Когда колесо оказывается на уровне оси, рабочий направляет колесо на ось.

Рис. 4.14. Одевание автомобильных шин

Механизация процесса избавляет человека от выполнения физического труда. Все операции выполняются самостоятельно. Человек выполняет только функции управления или вообще не касается этого процесса.

Следующий уровень — использование программ.

Пример 4.29. Стиральная машина

Стиральная машина САМА (по программе) выполняет необходимую работу.

Более высокий уровень автоматизации — использование эффектов.

Пример 4.30. Самомоющееся стекло

В английской компании Pilkington создали первое в мире оконное стекло, которое само себя очищает от грязи, разрушая органическую грязь, используя солнечный свет и дождевую воду. Его назвали Pilkington Activ.

Уничтожение грязи ведется непрерывно, а ее смыв происходит тогда, когда идет дождь, или при омовении стекла водой из шланга.

В наружной поверхности стекла вмонтирована тонкая прозрачная пленка из двуокиси титана (диоксида титана — TiO₂). Под действием света происходит фотокаталитический процесс, который разрушает грязь. TiO₂ — белый порошок, поэтому чтобы пленка была прозрачной ее сделали толщиной 15 микрон. Чтобы грязь не приставала к стеклу его поверхность сделали гидрофобной. Использован физические эффекты — фотокаталитический и гидрофобный.

Стекло обладает эффектом зеркала и имеет синеватый отлив.

Наиболее дешевый способ идеализации — использование ресурсов.

Пример 4.31. Капсульная эндоскопия

Эндоскопия — способ осмотра некоторых внутренних органов при помощи эндоскопа. Эндоскоп представляет собой прибор, имеющий камеру, которая с помощью волоконной оптики передает изображение на экран монитора. Продвижение камеры осуществляется врачом.

Выпускается капсула, позволяющая исследовать тонкий кишечник. Такую капсулу проглатывают, и она САМА посредством перистальтики кишечника передвигается по желудочно-кишечному тракту и передает изображение тонкого кишечника посредством датчиков. Информация записывается на специальном приборе, который вешается на пояс пациента с помощью специальной сумки. Пациент не ощущает никаких неудобств и неприятных ощущений, которые происходят при традиционной эндоскопии.

Кибернетизация труда избавляет человека от управления процессом. Более высокие степени кибернетизации — автоматизация (компьютеризация) мыслительной деятельности. Иногда этот процесс называют интеллектуализацией.

В качестве примеров можно привести шахматные компьютерные программы, программы переводчики текстов на различные языки, экспертные системы и системы искусственного интеллекта и т. д.

Идеальная информация должна появляться САМА, без затрат времени и усилий на ее поиск.

Пример 4.32. Автоматизация

Примером может быть решения по роботизации бизнес-процессов. Сейчас многие компании используют решения по роботизации (или автоматизации) своих процессов¹². Например бухгалтерия, или торговля акциями уже выполняются роботами. Даже робот-пылесос (рис. 4.15), впервые представленный компанией iRоbot, так же является примером выполнения функции без участия человека.

Рис. 4.15. iRоbot

Идеальная система — функция

Идеальной системы быть не должно, а ее работа должна выполняться 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 времени, в необходимом месте (причем в это время система несет 100% расчетную нагрузку), по необходимому условию, не затрачивая на это веществ, энергии, времени и финансов.

Главный конструктор танка Т-34 М. И. Кошкин говорил: «Самая лучшая деталь в танке та, которой в нем нет! Действительно — она уж точно не сломается и не сгорит…».

Таким образом, идеальная система должна выполнять полезные функции в нужный момент времени, в необходимом месте, по необходимому условию, иметь нулевые затраты и не иметь нежелательных эффектов.

Использование информации не относится к затратам, если она не требует финансовых затрат. Система тем идеальнее, чем больше она использует бесплатной информации.

Тенденция: материальная система заменяется виртуальной или программным обеспечением.

Пример 4.33. DVD ROM

Сегодня в квартирах часто имеется несколько компьютеров, которые объединяют в единую местную сеть. Тогда встает вопрос, как сэкономить на отдельных частях компьютеров, например, не покупать для каждого компьютера DVD ROM.

Идеальный DVD ROM — это отсутствующий DVD ROM, который выполняет его функцию.

Использование виртуального DVD ROM за счет программного обеспечения, которое имеется в операционной системе, например, в Windows эта операция называется «подключение сетевого диска». Таким же образом можно подключать дополнительный жесткий диск с другого компьютера, находящегося в местной сети.

Пример 4.34. Идеальная клавиатура компьютера

Клавиатуры быть не должно, а ее функция должна остаться. Клавиатуру проецируют на ровную поверхность, например, письменный стол. Нажатие клавиши определяется по пересечению пальцем определенного луча, проецирующего изображение.

Виртуальная клавиатура имеется в планшетах и смартфонах.

Другое решение подавать все команды голосом, которые с помощью компьютерной программы распознаются (voice recognition).

Еще один проект (Project Soli) представляет собой чип, помогающий управлять любыми устройствами, не касаясь их. Трехмерное движение кисти и пальцев воспринимаются с помощью радара. Размеры чипа небольшие (5х5мм), что позволит встраивать его даже в небольшие гаджеты, браслеты или смарт-часы.

Пример 4.35. Идеальный экран

Идеальный экран для проектора — это его отсутствие (его быть не должно), а функция должна выполняться.

Можно использовать стену (лучше белого цвета) или доску, на которой пишут фломастерами. Тогда появляется еще дополнительный эффект — на отображаемую картину можно наносить изображения при помощи фломастеров.

Идеальная информация — информация которой нет, а выполняется только ее функция — действие, процесс, который должны происходить с использованием данной информации. Например, принято решение, для которого собиралась данная информация.

Пример 4.36. Виртуальная платежная карта

Виртуальная платежная карта и система Apple Pay. Не нужно носить с собой карту или наличные деньги, которые можно потерять. В момент, когда необходимо совершит оплату, карта появляется в телефоне, то есть функция выполняется без средств (Рис. 4.16).

Рис. 4.16. Система Apple Pay

Пример 4.37. Цифровой банк

Цифровой банк не имеет отделений и помещений. Самого банка физически нет. Пользователь получает все банковские услуги через специальное приложение на смартфоне. Пример mono банк¹³.

Пример 4.38. Криптовалюта

Для оплаты, перевода, получения криптовалюты (например, биткоина) не нужна даже лицензия регулятора. Скачиваете приложении — крипто-кошелек, покупаете криптовалюты через биржу и осуществляете операции. Все больше и больше компаний принимают оплату в криптовалюте¹⁴

Идеальная информация — информация которой нет, а выполняется только ее функция — действие, процесс, который должны происходить с использованием данной информации. Например, принято решение, для которого собиралась данная информация.

Пример 4.39. Дорожная полиция

Функции дорожной полиции, которая контролирует скорость автомобилей и другие правила дорожного движения, становятся не нужными, так как эти функции уже выполняет система видеонаблюдения, которая контролирует не только правила дорожного движения, но и еще выставляет автоматически штрафы и смотрит за общественным порядком. Более того система штрафует нарушителей. Бизнес-модель в том, что компании ставят такую систему бесплатно и получает процент от штрафов. Таким образом затраты окупаются.

Рис. 4.17. Система видеонаблюдения

Функция становится не нужной

Предельная степень идеализации — отказ от функции — функция становится не нужной.

Пример 4.40. Процесс мытья посуды

Раньше посуду мыли вручную. Особо грязные места приходилось долго оттирать щеткой. При этом полированная посуда царапалась.

Затем развитие этого процесса осуществлялось в нескольких направлениях. Например, появились различные моющие средства, убыстряющие и улучшающие процесс мытья. После нанесения таких средств нужно только смыть грязь.

Создали посудомоечную машину. Она САМА моет посуду (самоисполнение).

Появилась одноразовая посуда. Стал не нужен ни процесс мытья, ни сама функция — очистка посуды. Таким образом, процесс мытья стал идеальным — он перестал существовать.

Но необходимо собрать грязную одноразовую посуду и выбросить ее. Идеальнее не делать и этот процесс — избавиться и от этой функции. Можно посуду сделать съедобной, например, положить ее в питу, багет, капустный лист и т. п. имеется и другая съедобная посуда, например, тарелки, вилки и ложки, чашки и т. д.

Пример 4.41. Общение

Швейцарские дизайнеры из компании Iconspeak¹⁵ создали футболку, с помощью которой можно разговаривать на всех языках мира (рис. 4.18).

На футболке напечатаны около 42 значков, которыми путешественник может пользоваться, чтобы попытаться обозначить свой вопрос, желание или эмоцию.

Рис. 4.18. Футболка для общения

Идеальная информация — нет потребности в данной информации. Например, нет потребности в принятии решения, для которого собиралась данная информация.

Описанные выше, степени идеализации характерны не только для системы, но и для вещества, формы и процесса.

4.5.2.3. Показатель степени идеальности

Система тем идеальней, чем в ней больше полезных эффектов и чем меньше вредных эффектов (факторов расплаты).

Под полезными эффектами понимается:

— система выполняет больше полезных функций (полезной работы);

— работа осуществляется максимально эффективно и качественно.

Под вредными эффектами понимаются все расплаты:

— затраты времени и средств;

— вредные воздействия и т. д.

Затраты средств — это затраты на расходы энергии, веществ, элементов, пространства.

Степень идеализации системы можно представить в виде формулы (4.1):

Где:

I — степень идеализации (безразмерная величина);

F — полезная функция или полезный эффект (безразмерная величина);

Q — качество полезной функции (эффекта) — безразмерная величина;

C — затраты времени и средств на осуществление полезной функции;

H — вредное действие (безразмерная величина);

i — порядковый номер функции;

n — количество функций;

a, β, γ — коэффициенты согласования.

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.

4.5.2.4. Идеальное вещество

Идеальное вещество — вещества нет, а его функции выполняются.

Вещество тем идеальнее, чем:

— больше полезный эффект оно создает;

— меньше его вес и стоимость;

— меньше оно приносит вред (нежелательный эффект).

Степень идеализации вещества определяется формулой (4.2):

Где:

I_S — степень идеализации вещества (безразмерная величина);

E — полезный эффект или свойство, выполняемое веществом (безразмерная величина);

M — масса или вес вещества;

C — стоимость вещества;

H — вредное действие, создаваемое веществом (безразмерная величина);

i — порядковый номер полезного эффекта (свойства);

n — количество полезных эффектов (свойств);

a, β, γ, δ — коэффициенты согласования.

В качестве полезного эффекта (функций, свойств) вещества, например, можно назвать: прочность, эластичность, удельный вес, непроницаемость, тепло — и электропроводимость, тепло — и электроизоляционные свойства, прозрачность, коррозионная и химическая стойкость, pH, агрегатное состояние, температура плавления и кипения, кристаллическая структуру, и т. д.

Имеются вещества с изменяемыми свойствами, использующие различные эффекты. Условно мы их будем называть «умные» вещества. Например, жидкие кристаллы; поляризационные пластины; вещества, изменяющие свою прозрачность; термо- и фоточувствительные полимеры; флуоресцентные вещества; полимерные гели; материалы с эффектом памяти формы; магниты; магнитная и реологическая жидкость; электреты; тепловые трубы, фото — и светодиоды и т. д.

«Умное» вещество — это управляемое вещество с изменяемыми, заранее заданными свойствами, представляющее собой преобразователь или источник энергии или информации, осуществляющий определенный эффект (физический, химический, биологический или математический).

Для разных видов технических систем подбираются свое «идеальное» вещество.

Г. С. Альтшуллер писал: «Материал „идеальной машины“ работает так, что его свойства используются наилучшим образом, например, металлические части работают только на растяжение, деревянные части — только на сжатие и т. д.».

В качестве одного из идеальных веществ можно назвать пену. Она имеет минимальный вес и выполняет разнообразные функции, например, теплоизоляция, поглощение шума, изоляция потоков газа и т. п.

Пример 4.42. Защита насаждений от заморозков

Растения и посевы покрывают полимерной «шубой» из пены, защищая их от заморозков. Она безвредна для растений, долго держится, хорошо защищает почву от мороза, а при необходимости без затруднений смывается водой (а. с. 317 364).

Рассмотрим примеры других идеальных веществ.

Пример 4.43. Корпус самолета

В самолетах используют дюралюминий. Он достаточно прочен и легок.

Приведем пример использования «умных» веществ.

Пример 4.44. Соединительная втулка из никелида титана

Компания «Raychem Corporation» (США) в 1971 году разработала втулку для соединения труб гидравлической системы военных самолетов из материала с эффектом памяти формы — нитинола (никилид титана — NiTi). Эта втулка получила название «Cryofit». Она показала себя очень надежной. Из 300 000 поставленных втулок не было ни одной поломки.

4.5.2.5. Идеальная форма

В некоторых случаях можно говорить и об идеальной форме.

Идеальная форма — обеспечивает максимум полезного эффекта для выполнения определенной функции.

Под полезным эффектом формы пониматься, например:

— прочность, при минимуме используемого материала;

— минимальное аэро- и гидродинамическое сопротивление;

— герметичность;

— трение (минимальное или максимальное);

— эргономичность;

— эстетичность и т. д.

Пример 4.45. Корпус подводного аппарата

Для подводного аппарата идеальная форма прочного корпуса — сфера. Она обладает высокой устойчивостью и небольшой плотностью. У сферического корпуса минимальное отношение площади поверхности к объему.

Пример 4.46. Форма антенны

Антенна радиотелескопа должна иметь гиперболическую форму. Любые отклонения от теоретического гиперболоида дают искажения сигнала. Такую антенну делают из материала с эффектом памяти формы.

4.5.2.6. Идеальный процесс

Процесс осуществляется для получения результата.

Идеальный процесс — это отсутствующий процесс, его не должно быть, а должен быть только результат, осуществляемый процессом.

Таким образом: идеальный процесс — результат.

В качестве результата может быть взят продукт или действие.

Особым фактором в процессах является время.

Процесс происходит тем идеальнее, чем он производительней, качественней и чем меньше требуется затрат вещества, энергии, трудозатрат (в том числе и на управление процессом), и чем меньше вредных воздействий он производит.

Степень идеализации процесса можно представить в виде формулы (4.3):

Где:

I_P — степень идеализации процесса (безразмерная величина);

F_i — функциональность операции i (безразмерная величина);

L_k — уровень функции k в операции i (безразмерная величина);

Q_k — качество выполнения функции k в операции i (безразмерная величина);

T — время выполнения операции i;

C — затраты средств на осуществление операции i;

H — вредное действие, создаваемое операцией i (безразмерная величина);

k — порядковый номер функции в операции i;

m — количество функций в операции i;

i — порядковый номер операции;

n — количество операций в процессе;

a, β, γ, δ — коэффициенты согласования.

Процесс — это набор операций, которые могут выполняться последовательно и/или параллельно. Кроме того, могут быть обратные связи. Одна операция может выполнять несколько функций. Функции могут иметь разный уровень:

— главная;

— основная;

— второстепенная.

Идеальный процесс производит качественный продукт (результат) с нулевыми затратами вещества, энергии, времени и управления.

Способы идеализации процесса

Сокращение времени выполнения процесса и повышение его эффективности может осуществляться способами:

1. Не выполнять процесс, а использовать результат.

2. Выполнение действий заранее (предварительно).

Заранее (предварительно) выполнить требуемое действие полностью или хотя бы частично. Предварительное выполнение части процесса.

2.1. Заранее обдумать последовательность выполнения операций в процессе;

2.2. Заранее ввести нужные для выполнения процессов «отзывчивые» вещества и поля;

2.3. Заранее расставить объекты так, чтобы они могли вступить в действие без затрат времени на доставку с наиболее удобного места.

3. Устранить ненужные (лишние), повторяющиеся и вредные операции.

4. Устранить отдельные операции процесса, передав их функции другим операциям (предыдущим, параллельным или последующим).

5. Объединить однородные или смежные операции.

6. Использование пауз и холостых ходов.

7. Вести работу непрерывно.

8. Параллельное выполнение процессов.

9. Встречное выполнение процессов.

10. Процесс разбивается на отдельные операции, если возможно, каждая операция выполняется параллельно и встречно.

11. Выполнение процесса многими системами или частями.

12. Использование более управляемых полей и веществ, в частности, замена механического движения на движение более управляемого поля.

13. Использование ресурсов.

Приведем примеры способов осуществления идеализации процесса.

Выполнить действия заранее

— Предварительное выполнение части процесса.

Пример 4.47. Компьютерная программа для цифровой печати

Благодаря появлению цифровой печати стало возможным печатать документы или книги по требованию (Print-on-Demand — POD). Печатается столько документов, сколько их заказали в данный момент, причем хорошего качества. Это позволяет избавиться от складов и неликвидов. Кроме того, документ печатается в том месте, где он требуется. Таким образом, отпадает необходимость в транспортировке на значительные расстояния больших объемов готовой продукции — высшая степень идеальности — исчезли функции пересылки на большие расстояния и хранения печатной продукции.

При такой печати очень критично, чтобы печатающая машина не простаивала в ожидании, когда программа успеет подготовить ей очередной лист для печати.

С этой целью поступивший на печать документ предварительно обрабатывают и записывают в буферную память. Объем такой памяти ограничен и его не хватает для записи больших документов, например, книг.

В этом случае документ предварительно обрабатывается, и определяются повторяющиеся места, они и записываются в буферную память. Они, как правило, занимают не много места в памяти компьютера. Эти записи вызываются в момент, когда они необходимы для печати. Таким образом, выполняется часть процесса обработки информации заранее, что позволяет сократить общее время печати.

— Заранее расставить объекты.

Пример 4.48. Строительство домов

Раньше панели для строительства домов привозили заранее и их складировали. Для этого нужно было иметь дополнительные площади. Кроме того, панели могли быть повреждены в следствии плохой погоды или небрежного обращения.

Ввели способ строительства «с колес». Панели привозили точно в то время, когда они нужны. Их выгружали и тут же ставили на место.

Приведем примеры на другие способы сокращения времени проведения процесса.

Опишем идеализацию процесса сварки.

Процессы идут встречено

Пример 4.49. Сварка листов

При сварке листов процесс будет идти быстрее, если его вести с двух сторон навстречу друг другу (а. с. 988 490, 1 234 095). Можно двигать навстречу друг другу лист и дугу (а. с. 1 031 679).

Разбиение процесса на отдельные операции

Пример 4.50. Сварка листов

Процесс сварки будет идти быстрее, если будет использоваться не два, а большее количество электродов, которые попарно двигаются навстречу друг другу (а. с. 303 158).

Замена механического движения на полевое

Пример 4.51. Сварка листов

Можно вообще не тратить время на перемещение электродов, если их расставить заранее в нужном месте на расстоянии, меньшем, чем тепловое пятно. Каждый из электродов подсоединяется к источнику питания и последовательно включается. Таким образом, дуга движется, а электроды стоят на месте (а.с. 285 740).

Использование имеющихся ресурсов

Пример 4.52. Как отыскать в стене трассу скрытой проводки?

Это можно осуществить при помощи приемника. Для этого в розетку нужно включить какой-нибудь слабый источник помех, например, электробритву с отсоединенным помехозащитным фильтром. Приемник настроить в средневолновом диапазоне (но не на станцию) и начать водить им вдоль стены. При пересечении трассы проводки треск из динамика будет усиливаться.

4.5.3. Закон увеличения степени управляемости

Закономерность увеличения степени управляемости является основной из закономерностей эволюции систем (рис. 4.19).

Рис. 4.19. Структура закономерностей эволюции систем

Развитие системы идет в направлении увеличения степени управляемости.

Система может быть управляемой тогда и только тогда, когда она содержит в себе элементы, способные воспринимать управляющие сигналы, преобразовывать их в управляющие воздействия и адекватно воспринимать информацию о внутренних изменениях в системе и внешних воздействиях на нее. Это свойство часто называют «отзывчивостью».

Общая тенденция увеличения степени управляемости (рис. 4.20) — это переход от:

— неуправляемой к управляемой системе;

— неавтоматического (ручного) управления к автоматическому;

— проводного управления к беспроводному;

— непосредственного управления к дистанционному.

— центрального управления к распределенному и самоорганизующемуся управлению (управление сетями).

Рис. 4.20. Общая тенденция увеличения степени управляемости

Пример 4.53. Зонтик

Считается, что первые зонты появились более 1 тыс. лет до нашей эры в Китае, Индии или Египте. Они защищали от солнца. Их использовали только фараоны, императоры или знать. Первые модели были сделаны из перьев или листьев лотоса, прикрепленных к палке. Далее раму делали из тростника или сандалового дерева и покрывали кожей, тканями или шелком. Более простые зонты делали из плотной бумаги. Такие зонты были 1,5 метра высотой и весили 2 кг. Они не складывались, т. е. были неуправляемые. Первые зонты имели один недостаток — они не были складными, т. е. имели только одно устойчивое состояние — открытое. Соответственно, это была неуправляемая система — независимо от наличия дождя или прямых солнечных лучей зонтик сохранял свои внушительные размеры.

Далее зонты слали складываться, но имели длинную ручку — это переход к управляемым зонтам. Далее степень управляемости зонтом увеличивалась.

Зонты стали использоваться и для защиты от дождя. Появился зонт-трость.

В 1928 году Ханс Хаупт изобрел карманный зонт.

В 1969 году БрэдФиллипс (Bradford E Phillips) владелец компании Totes Incorporated из Лавленда, штат Огайо, получил патент на свой «рабочий складной зонт».

Это был следующий шаг в увеличении управляемости зонтом — он автоматически раскладывался.

Рис. 4.21. Увеличение степени управляемости зонтом — переход от неуправляемого к управляемому зонту

Пример 4.54. Фотоаппарат

Первые фотоаппараты имели ручное управление. С появлением электроники некоторые операции были автоматизированы. Полный переход к автоматизированному управлению произошел с появлением цифровых камер. Сегодня цифровая камера имеется в любом смартфоне или планшете.

Это пример перехода от неавтоматического к автоматическому управлению.

Рис. 4.22. Увеличение степени управляемости фотоаппаратом — переход от неавтоматического к автоматическому управляемому фотоаппаратом

Пример 4.55. Телевизор

Сначала телевизором управляли с помощью ручек, которые находились непосредственно на телевизоре.

На следующем этапе сделали выносной пульт управления, соединенный кабелем с телевизором.

Далее стали использовать беспроводной пульт управления.

Это пример перехода от проводного к беспроводному управлению.

Управление телевизором с помощью ручек или кнопок к управлению с помощью пульта — это переход от непосредственного к дистанционному вправлению.

Пример 4.56. Распределенное управление

В природе имеется много примеров распределенного, самоорганизующегося управления.

Стаи птиц перемещаются в воздухе образуют очень красивые фигуры (рис. 4.23). Подобную картину можно наблюдать у косяков рыб (рис. 4.24). Тысячи птиц или рыб движутся и никогда не сталкиваются друг с другом.

Рис. 4.23. Стаи птиц

Рис. 4.24. Косяки рыб

Это же наблюдается со стадами животных (рис. 4.25).

Рис. 4.25. Стадо животных

Толпа людей тоже подчиняется этой закономерности.

Это примеры сетевого управления.

В технических системах в основном использовалось центральное управление.

Пример 4.57. Сетевое управление

На автомобильной выставке в Токио в 2003 году была показана концепция автомобиля Toyota Personal Mobility — Toyota PM (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Автомобиль Толпа людей тоже подчиняется этой закономерности

Это примеры сетевого управления.

В технических системах в основном использовалось центральное управление.

Предусматривалось, что к 2010 году будут иметь сетевое управление (рис. 4.27). Однако к этому времени стали развиваться более прогрессивные технологии. Теперь имеются проекты сетевого управления транспортом с помощью 5 G технологии (рис. 4.28).

Рис. 4.27. Сетевое управление автомобилями Toyota PM

Рис. 4.28. Управление транспортом с помощью 5 G технологии

Уже создано сетевое управление мини-спутниками (рис. 4.29).

Рис. 4.29. Сетевое управление мини-спутниками

Это были примеры перехода от центрального к распределенному, самоорганизующееся управления — сетевому управлению.

Пример 4.58. «Умное сельское хозяйство»

Когда используются датчики для анализа почвы, данные об осадках и далее система автоматически принимает решение о поливе или распределении удобрений с помощью БПЛА (беспилотного летательного аппарата). Так же используются роботизированные машины (комбайны, посевные), которые передвигаются с помощью GPS навигации. Таким образом значительно повышается количество и качество урожая, что ведет к увеличению прибыли¹⁶

Увеличение степени управляемости уменьшает степень участия человека в работе технической системы. Иногда эту тенденцию называют вытеснение человека из технической системы.

Вытеснение осуществлялось на протяжении всей истории развития человечества.

Первоначально вытеснение осуществлялось на уровне рабочего органа — руки и ногти были заменены острым камнем или рогом, которым первобытный человек, например, обрабатывал землю. На следующем этапе заменяли и некоторые связи или преобразователи — камень привязали к палке. Далее постепенно происходили этапы механизации, автоматизации и, начиная с 20 века, этап кибернетизации.

Этап механизации начинался с примитивных приспособлений, затем вытеснения человека на уровне двигателя — человек воспользовался природными силами (ветром, силой падающей воды и т. д.) и животными в качестве двигателя.

Следующий этап развития — замена человека на уровне системы управления. Этот этап начинался с примитивных, а затем сложнейших механических автоматов, далее автоматика была электромеханическая, электрическая и электронная.

Этап кибернетизации и интеллектуализации характерен для сегодняшнего дня.

Примеры к этим этапам мы рассматривали в разделе 4.5.2 (степени идеализации):

— Система все делает сама — самоисполнение (рис. 4.30):

— механизация;

— автоматизация;

— кибернетизация (интеллектуализация).

Рис. 4.30. Уменьшение участия человека в работе технической системы

Автоматическое управление в технике — это совокупность действий, направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта без непосредственного участия человека в соответствии с заданной целью управления.

Тенденция перехода от неуправляемой к управляемой системе показана на рис. 4.31. Она представляет собой переход от неуправляемой системы к управлению по разомкнутому контуру, затем к переходу к системе с обратной связью, к адаптивной (самонастраивающейся) системе, к самообучаемой и самоорганизующейся системе и, наконец, к саморазвивающейся и самовоспроизводящейся системе.

Рис. 4.31. Переход от неуправляемой к управляемой системе

Управление по разомкнутому контуру осуществляется без знаний о текущем состоянии объекта управления. При таком управлении чаще всего управление ведется по жесткой программе, без анализа каких-либо факторов в процессе работы, либо измеряют и компенсируют главные из возмущений.

Для этого вида управления характерно отсутствие обратной связи, с помощью которой можно получить информацию о том, что происходит в объекте управления.

Структурная схема системы управления по разомкнутому контуру показана на рис. 4.32 Устройство управления воздействует на объект управления по программе, находящейся в задающем устройстве. На объект управления могут воздействовать возмущения. Некоторые системы по разомкнутому контуру измеряют главные из возмущений и компенсируются.

Рис. 4.32. Система управления по разомкнутому контуру

Этот вид управления достаточно примитивен, но часто исполнительные устройства просты, надежны и дешевы. По такому принципу работают примитивные автоматы и конвейерные линии.

Условия предпочтения управления по разомкнутому контуру управлению по замкнутому контуру:

— не нужны высокоточные операции;

— система может работать удовлетворительно без гарантии изменений, которые происходят в объекте управления.

Пример 4.59. Стиральная машина

Переключение команд в стиральной машине осуществляется по определенной программе.

Система с обратной связью представляет собой систему, работающую по замкнутому контуру. В такой системе осуществляется регулирование по отклонению, а цепь прохождения сигналов образует замкнутый контур, включающий объект управления и управляющее устройство.

Структурная схема системы управления с обратной связью показана на рис. 4.33. Устройство управления воздействует на объект управления посредством сигнала (управляющего воздействия) в соответствие с ошибкой управления, которая вырабатывается в результате сравнения сигнала обратной связи с задающим воздействием. На объект управления могут воздействовать возмущения.

Рис. 4.33. Система управления с обратной связью, где перечеркнутый кружок — сумматор

Обратная связь — это процесс, приводящий к тому, что результат функционирования какой-либо системы влияет на параметры, от которых зависит функционирование этой системы. На вход системы подается сигнал, являющийся функцией выходного сигнала. Часто это делается преднамеренно, чтобы повлиять на динамику функционирования системы.

Различают положительную и отрицательную обратную связь.

Отрицательная обратная связь — это тип обратной связи, при которой входной сигнал системы изменяется таким образом, чтобы противодействовать изменению выходного сигнала. Отрицательная обратная связь компенсирует отклонения управляемой величины от желаемых значений вне зависимости от причин, вызвавших эти отклонения. Таким образом, на вход системы подается инвертируемый выходной сигнал, сигналы вычитаются, уменьшая ошибку управления.

Отрицательная обратная связь делает систему более устойчивой к случайному изменению параметров.

На рис. 4.34 затемненная часть сумматора обозначает, что он является инвертором (сигнал вычитается).

Рис. 4.34. Система управления с отрицательной обратной связью

Примером отрицательной обратной связи является любая система автоматического управления и регулирования, следящая система.

Пример 4.60. Инвертор

Простейший пример отрицательной обратной связи — это инвертор или инвертирующий усилитель (рис. 4.35). Он выполнен на операционном усилителе (ОУ). Обратная связь подается через сопротивление R3 на инвертирующий вход (он обозначается кружочком), при этом фаза выходного сигнала сдвигается относительно входного на 180º. Поэтому обратная связь отрицательная.

Рис. 4.35. Схема инвертора (инвертирующего усилителя) ОУ — операционный усилитель, R1, R2, R3 — сопротивления.

Эффективность управления повышается, если управление осуществляется не только по управляемой величине, но и по ее производным и интегралу.

Производная позволяет раньше реагировать на изменение управляемой величины, а интеграл позволяет учесть предыдущие изменения.

Положительная обратная связь — это тип обратной связи, при которой изменение выходного сигнала системы усиливается за счет складывания с входным сигналом, способствуя дальнейшему отклонению выходного сигнала от первоначального значения.

Системы с сильной положительной обратной связью неустойчивы, в них возникают незатухающие колебания (автоколебания).

Положительная обратная связь используется, например, в усилителях, генераторах, переключателях и т. п.

Пример 4.61. Генератор

Простейший пример положительной обратной связи — это генератор. На схеме (рис. 4.36) генератор выполнен на операционном усилителе (ОУ). Обратная связь подается через сопротивление R3 на положительный вход, при этом входной и выходной сигналы складываются, усиливая выходной сигнал. Поэтому обратная связь положительная.

Рис. 4.36. Схема генератора

ОУ — операционный усилитель, R1, R2, R3 — сопротивления

Самонастраивающаяся система — это система, в которой приспособление к случайно изменяющимся условиям обеспечивается автоматическим изменением параметров настройки или путем автоматического поиска оптимальной настройки. Самонастраивающуюся систему также называют адаптивной или самоприспосабливающейся.

В самонастраивающихся системах параметры меняются в более широком диапазоне по сравнению с обычными (не самонастраивающимися) системами, в которых осуществляется первоначальная настройка (создание определенных параметров) при разработке системы. Такие параметры влияют на устойчивость и качество процессов управления.

Самонастраивающаяся система сохраняет работоспособность даже в условиях непредвиденного изменения свойств управляемого объекта, цели управления или условий окружающей среды посредством смены алгоритмов своего функционирования или поиска оптимальных состояний.

Пример 4.62. Коммутатор

Коммутаторы предназначены для подключения и отключения входных сигналов. Они широко используются в серверах, чтобы повысить производительность пропускания каждого из каналов (портов). Каждый из портов имеет определенную скорость пропускания информации, что ограничивает общую производительность ее прохождения.

Компания IBM разработала коммутатор с самонастраивающимися портами способными автоматически выбирать наибольшую скорость пропускания информации без блокировки каналов.

Самообучающаяся система — это система, алгоритм функционирования которой совершенствуется путем самообучения в процессе работы, улучшая функционирование системы.

Пример 4.63. Поисковые системы

Информацию в Интернете ищут с помощью специальных поисковых систем, например, поисковой машины Google. Программа поисковой машины самостоятельно изучает запросы и впоследствии предоставляет клиентам информацию, более подходящую для каждого из них. Например, предоставляет информацию, к которой чаще всего обращаются.

Самоорганизующаяся система — это система, которая способна синтезировать модель структуры системы в зависимости от ее предназначения и окружающих ее условий. Она разрабатывает алгоритм работы системы, проектируя систему управления, и по синтезируемой модели создает саму систему из имеющихся элементов. Такая система способна перестроить структуру системы, чтобы приспособиться к внутренним или внешним изменениям. В простейшем случае система способна изменить связи между подсистемами, а в сложнейшем случае заменять, добавлять или изменять подсистемы для создания структуры, способной наилучшим образом выполнить необходимые функции.

Основное отличие самоорганизующейся системы от самонастраивающейся системы заключается в том, что в первой в процессе приспособления преобладают качественные изменения, а во второй — количественные.

Пример 4.64. Самоорганизующийся робот

В лаборатории вычислительного синтеза Корнельского университете (США) разработали опытный образец робота, способного синтезировать свою структуру в зависимости от окружающих его условий и обстоятельств воспроизвести себя из универсальных элементов — кубиков.

На поверхности кубиков имеются электромагниты, с помощью которых они могут соединяться и разъединяться друг с другом; питание подводится через контакты на поверхности монтажного стола.

Первоначально робот создает свою модель и по ней синтезирует систему управления, что осуществляется в результате ограниченного количества физических экспериментов (это поисковая самонастраивающаяся система).

Алгоритм работы робота позволяет ему функционально компенсировать механические повреждения в результате коррекции собственной модели.

Саморазвивающаяся система — это самообучающаяся, способная не только накапливать знания, но и развивать систему в соответствии с поставленными целями по определенным закономерностям.

Пример 4.65. Саморазвивающаяся компьютерная система

В патенте США 5 072 406 описана саморазвивающаяся компьютерная система, память которой содержит блоки инструкций, специальных знаний и базовых данных. Блок специальных знаний включает знания конкретной области и стратегию их использования. Блок базовых данных включает знания по использованию инструкций.

При поступлении входного сигнала он обрабатывается и перепроверяется по всем блокам с учетом имеющихся инструкций и базовых данных, вырабатывая выходной сигнал. При выявлении новых знаний они заносятся в блок специальных знаний. В процессе деятельности блок специальных знаний может изменять инструкции, постоянно развивая компьютерную систему.

Самовоспроизводящаяся система — это самоорганизующаяся, саморазвивающаяся система, способная создать подобную себе систему.

Основное отличие самоорганизующейся системы от самовоспроизводящейся системы заключается в том, что в первой используются готовые подсистемы, а во второй — их изготовляет сама система.

Самовоспроизводящиеся системы, прежде всего, характерны для живых организмов. Клетка сама себя воспроизводит. Не малую роль в этом играют стволовые клетки.

Пример 4.66. Самовоспроизводящаяся машина

Доктор Adrian Bowyer из университета Ванны в Великобритании разработал машину «RedRap» (Replicating Rapid-prototyper), которая 29 мая 2008 г. в 14:00 воспроизвела свою копию. Пластмассовые детали для этой машины изготовлялись на 3D принтере, встроенном в машину.

4.5.4. Закономерность увеличения степени динамичности

Закономерность увеличения степени динамичности является основным из законов эволюции систем (рис. 4.37).

Рис. 4.37. Структура закономерностей эволюции систем

Развитие системы идет в направлении увеличения степени динамичности.

Динамичная система может изменять свои параметры, структуру (в частности форму), алгоритм, принцип действия и функции, чтобы наиболее эффективно достичь поставленной цели и удовлетворить потребность. Динамическая система в своем развитии может менять так же цель и потребность, приспосабливаясь к внешним и внутренним изменениям.

Изменения могут происходить:

— во времени;

— по условию.

Следствия из закона:

1. Статические системы стремятся стать динамическими;

2. Системы развиваются в сторону увеличения степени динамичности.

Приведем пример на увеличения степени динамичности.

Пример 4.67. Электронная книга

Первоначально книга представляла собой свиток, как правило из папируса или пергамента.

В дальнейшем книги делались из отдельных листков бумаги, скрепленных вместе переплетом. Их стало удобнее читать, и они занимали меньше места. Для получения бумаги необходимо уничтожать лес. Они много весят, занимают много места на полках и пылятся.

Далее книги слали переводить в электронный вид и читали с экрана компьютера. Такие книги не использовали бумагу, занимали мало места и не пылились, в одном компьютере можно иметь большую библиотеку, но появились неудобства, связанные с процессом чтения, — не везде удобно читать с компьютера, например, в кровати. В дальнейшем появились лэптопы, миникомпьютеры и планшеты. Их легко переносить и удобно читать в любом месте. Общий недостаток компьютеров — не все любят читать с экрана. Кроме того, чтение с экрана портит зрение, так как экран излучает свет, который непосредственно направлен в глаза.

Выпустили электронную книгу (e-book reader), в которую можно загружать много книг.

Такие книги используют электронную бумагу (electronic paper), в которой используются электронные чернила (e-inc). Электронная бумага отражает свет, так же как обычная книга, поэтому не портит зрение.

Увеличение динамичности происходит изменением динамичности параметров, структуры, алгоритма и принципа действия, функции, потребности и цели, которое может происходить во времени, в пространстве и по условию.

Степень динамичности увеличивается переходом от изменения динамичности параметров к изменению динамичности структуры, алгоритма, принципа действия, функции, потребности и цели.

Основная линия увеличения степени динамичности показана на рис. 4.38.

Изменение параметров системы — это наиболее простой способ увеличения степени динамичности системы с целью ее адаптации к внутренним и внешним изменениям.

Изменяться может любой параметр системы, например, электрические параметры (величина тока, напряжения, сопротивления и т. д.), оптические параметры (длина волны, яркость, освещенность и т. д.), акустические параметры (амплитуда и частота звука и т. п.), механические параметры (эластичность, жесткость, вязкость, число степеней свободы и т. д.).

Рис. 4.38. Линия увеличения степени динамичности

Пример 4.68. Оперативные запоминающие устройства — ОЗУ (RAM)

Оперативные запоминающие устройства — ОЗУ (RAM) созданы для хранения информации в цифровом виде. ОЗУ работает, пока на микросхему подается питание. После отключения питания информация теряется.

В дальнейшем были созданы динамические ОЗУ (DRAM). С их помощью сократили время обмена информацией (запись и считывание). Динамические ОЗУ построены на электронных приборах с зарядовой связью. Информация хранится на паразитных конденсаторах (емкостях) транзисторов, как пакеты зарядов. Они обладают высокой скоростью обмена информации (пакетов зарядов), но не способны хранить ее длительное время (<1 мс).

Для решения этой задачи в DRAM осуществляется непрерывная циклическая перезапись (обновление) информации. Это пример изменения параметров во времени.

Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения структуры системы — это более сложный способ сделать систему динамичной, чем изменение параметров. Под изменением структуры мы понимаем и изменение формы объекта.

Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения алгоритма работы.

Пример 4.69. Микросхемы

Разработали программируемые логические интегральные схемы — ПЛИС (Field Programmable Gate Arrays — FPGA). В отличие от обычных цифровых микросхем логика работы ПЛИС не создается при изготовлении, а устанавливается посредством ее программирования.

ПЛИС представляет собой набор элементов, расположенные в виде матрицы. Между элементами расположены соединительные трассы, представляющие собой программируемые ключи, соединяющие необходимые блоки. Пользователь может создать нужную для него структуру, программируя определенную логику.

Таким образом, данная микросхема позволяет менять ее внутреннюю структуру и алгоритм работы в зависимости от функции, которую необходимо выполнять. ПЛИС можно перепрограммировать под новую функцию.

Это пример изменения структуры, алгоритма и функции по условию (принцип работы или изменение принципа работы).

Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения ее принципа действия.

Пример 4.70. Обрабатывающий центр

Обрабатывающий центр — это станок с числовым программным управлением (ЧПУ), предназначенный для последовательного выполнения нескольких технологических операций различными инструментами по заданной программе. В качестве инструмента могут быть использованы: резец, фреза, сверло, плазма, лазер и т. п. При переходе к следующей операции станок меняет инструмент, а, следовательно, и принцип действия и алгоритм работы.

Это пример изменения структуры, алгоритма и принципа действия по условию (переход к другой операции).

Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения выполняемой функции.

Пример 4.71. Мобильный телефон

Современный мобильный телефон выполняет много различных функций.

Это пример изменения алгоритма, принципа действия и функции по условию, выполняя ту или другую потребность владельца.

Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения потребностей.

Пример 4.72. Компьютер

Компьютер является наиболее развитой динамической системой. Трудно перечислить все функции, которые он выполняет, и потребности, которые он удовлетворяет.

Это пример изменения алгоритма, функции и потребностей по условию (желание владельца).

Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения целей.

Пример 4.73. Беспилотный самолет

Беспилотный самолет может изменить цель своего полета в зависимости от изменения обстоятельств. Например, перейти от наблюдения к боевым действиям.

Это пример изменения цели по условию.

Система тем динамичнее, чем она более управляемая.

Динамичность системы повышается с увеличением скорости и точности адаптации к внешним и внутренним изменениям.

Скорость увеличения динамичности повышается с учетом изменений не только определенного параметра, а и его производных.

Идеально, когда система заранее готова к изменениям, т. е. имеет способность заранее прогнозировать изменения. С этой целью система должна использовать и/или выявлять и использовать тенденции, закономерности и законы развития системы, надсистемы и окружающей среды.

Точность адаптации может быть увеличена, если в законе управления системой учитывается интеграл от всех изменений или ведется учет предыдущих изменений.

Пример 4.74. Система управления

Системы управления для объектов с быстро изменяемыми параметрами должны управляться не только по самому сигналу, но и по его первой, второй или более высоким производным.

При длительной работе системы в закон управления желательно вводить интеграл управляемой величины для повышения точности управления.

Статические системы достаточно устойчивы, но не мобильны. Мобильные системы часто не устойчивы. Для придания системе максимальной мобильности и устойчивости ее выполняют динамически статичной.

Динамическая статичность системы осуществляется за счет постоянного управления максимально мобильной системой.

Пример 4.75. Велосипед

Двух колесный велосипед устойчив только в процессе движения. Это динамическая устойчивость или динамическая статичность. Еще менее устойчив одноколесный велосипед.

4.5.5. Закономерность перехода на микроуровень

Закономерность перехода системы на микроуровень является основной из закономерностей эволюции систем (рис. 4.39).

Рис. 4.39. Структура закономерностей эволюции систем

Закономерность перехода системы на микроуровень заключается в том, что система в своем развитии стремится перейти на микроуровень. Чаще всего это относится к рабочему органу.

Микроуровень условное понятие. В работе участвуют все более глубинные структуры вещества, например, использование нанотехнологий. При этом используются физические, химические, биологические и математические эффекты.

Классическими примерами перехода системы с макро — на микроуровень являются часы, вычислительная техника и электроника.

История развития часов насчитывает тысячелетия.

Пример 4.76 Часы

Первоначально время определяли по звездам, в дальнейшем изобрели солнечные часы. Затем появились водяные, песочные и огненные часы.

Впоследствии их заменили механическими часами. Башенные часы были заменены карманными и ручными. Происходил процесс миниатюризации, но принцип действия их практически не изменился — колебание маятника и использование шестеренок, пружин и т. д.

Первый качественный скачек в переходе на микроуровень осуществился с изобретением кварцевых часов. В них в качестве колебательной системы стали использовать кристалл кварца. Маятник заменили кристаллом. Сигнал от кварцевого генератора поступает на шаговый двигатель, который приводит в действие механическую часть часов.

Таким образом, в кварцевых часах на микроуровень перешел только рабочий орган, остальные части электромеханические, т. е. работающие на макроуровне. Типичный пример закона неравномерности развития систем.

Окончательный переход на микроуровень произошел с появлением электронных часов, где исчезли все механические части. Циферблат в них работает или на светодиодах, или на жидких кристаллах.

Позже появились атомные часы, где в качестве источника колебаний используется сигнал перехода электрона между двумя энергетическими уровня атома.

Еще один яркий пример перехода с макро — на микроуровень является история развития вычислительных машин.

Пример 4.77. Вычислительная техника

Первая вычислительная машина (антикитерский механизм) была создана в Древней Греции. Она датируется 150—100 г. до н. э. Это механическая аналоговая вычислительная машина для расчета астрономических позиций. Машина также позволяла производить операции сложения, вычитания и деления.

Известны счетное устройство Леонарда да Винчи, суммирующая машина Паскаля и другие.

Принцип действия этих машин механический. Они состояли из валов и шестерен. Постепенно эти части уменьшались в размерах и был разработан арифмометр. Их заменили электромеханические вычислительные машины. Механические части двигались с помощью электрических двигателей.

На следующем этапе была разработана вычислительная машина на вакуумных лампах.

Далее были использованы транзисторы, а затем и микросхемы.

Сегодня процессор содержит миллиарды транзисторов. При их изготовлении используется нанотехнологии.

Это типичный пример перехода на микроуровень.

На мироуровень перешел рабочий орган компьютера — процессор, но до сегодняшнего дня еще остались части, использующие механику, например, жесткий диск, DVD Rom, вентиляторы. Это пример закона неравномерности развития систем.

Имеются тенденции перехода этих частей на микроуровень.

Используются жесткие диски с флэш-памятью. Все чаще используются не DVD диски, а флэш-память. Вентиляторы могут быть заменены элементом Пельтье и тепловыми трубами.

Пример 4.78. Микро-роботы

Инженеры из Университета Ватерлоо изобрели летающего микро-робота. Для перемещения из одной точки пространства в другую он использует магнитное поле Земли. Этот микро-робот весит 0,83 грамма. Робот оснащен несколькими крошечными электромагнитами, создающими вокруг робота трехмерное параболическое магнитное поле¹⁷.

Швейцарские ученые разработали устройства, способные уничтожать раковые клетки, не повреждая их здоровых «соседей». Более того, ботов можно запрограммировать на активизацию стволовых клеток разрядом электричества — такая технология позволит лечить поврежденные или разорванные мышцы¹⁸.

Американские и китайские биохимики создали нанороботов из нитей ДНК, способных опознавать раковые клетки и лишать их пищи, создавая тромбы в соседних кровеносных сосудах¹⁹.

Компания Ролс-Ройс представила проект разработки микророботов предназначенных для автоматизированной диагностики состояния авиационных двигателей и их ремонта. Таким образом Ролс-Ройс улучшает свои двигатели и оптимизирует затраты на ремонты и обслуживание²⁰.

Микро-роботы улавливают радиоактивные загрязнения.

Металлоорганические каркасы используют для захвата, отделения, удаления и извлечения радиоактивного урана из воды. Эти соединения способны удерживать внутри своих пор различные атомы и вещества, в том числе радиоактивный уран. К ним добавили «микродвигатель» ZIF-8 диаметров в 15 раз меньше человеческого волоса, позволяющий молекуле улавливать радиоактивные загрязнения и удерживать их внутри себя.

В структуру добавлены атомы железа и наночастицы оксида железа, чтобы стабилизировать ее и сделать магнитной. Размещенные на конце стержней каталитические наночастицы платины превращают перекись водорода в воду, выделяя при этом пузырьки кислорода. Они приводят в движение «микророботов», заставляя двигаться по течению и преодолевать расстояние в 60 раз большее их собственной длины.

Опыты показали, что за один час они удалили 96% урана в имитируемых радиоактивных сточных водах. После этого наночастицы собрали с помощью магнита и из них выделили чистый уран. По словам специалистов, эта разработка может помочь не только в устранении отходов, но и в их переработке²¹.

4.5.6. Закономерность перехода системы в надсистему

Закономерность перехода системы в надсистему является основным из законов эволюции систем (рис. 4.40).

Рис. 4.40. Структура закономерность эволюции систем

Закон перехода системы в надсистему разработан Г. С. Альтшуллером [25, С. 90—96]. Он его сформулировал следующим образом:

«Исчерпав ресурсы развития, система объединяется с другой системой, образуя новую, более сложную систему».

Системы объединяются в надсистему не только, когда исчерпали ресурсы своего развития, поэтому мы переформулировали закон.

Системы объединяются в надсистему, образуя новую, более сложную систему.

Пример 4.79. Самолет

Были объединены двигатель, крылья, система управления, корпус (фюзеляж) и шасси. Появилась новая система — самолет. Каждая из указанных частей в отдельности летать не могла. Новая система — самолет получила системное свойство — возможность летать.

Это одна из возможностей перехода системы в надсистему. Другая возможность:

Переход системы от монофункцинальной к полифункцинальной.

Пример 4.80. Смартфон

Первоначально телефон представлял собой монофункциональную систему. Функция телефона — передача звукового сигнала на расстояние. Смартфон — это многофункциональная (полифункциональная) система, которая выполняет практически все функции компьютера и телефона.

Еще больше функций у Smart Watch.

Такой вид перехода в надсистему первоначально осуществляется выявлением более общей функции, а затем придания дополнительных функций, при этом часто использует новые технологии.

Пример 4.81. Классная доска

Существует классная доска, на которой пишут мелом. Основная ее функция — оставлять на доске изображения мелом. Более общая функция — оставлять на доске изображения чем угодно.

Существуют классные доски, на которых пишут фломастерами. Можно писать на больших листах бумаги, например, фломастером.

Затем появились доски, которые печатают на бумагу, все, что изображено на доске.

Можно проектировать изображение на экран с помощью проектора, соединенного с компьютером. Сегодня существуют электронные классные доски или интерактивные доски (interactive whiteboard), представляющие собой сенсорный экран со встроенным компьютером, динамиками, веб-камерой, встроенной библиотекой, Интернетом. На них можно писать пальцем и передавать это изображение на другие компьютеры, кроме того, можно видеть и человека, пишущего на этой доске.

Опишем тенденцию объединения систем (рис. 4.41).

Рис. 4.41 Тенденция объединения систем

Первоначально имеется одна — моносистема. Далее объединяют две исходные системы, при этом получатся бисистема. На следующем этапа объединяют три и более систем, образуется полисистема. Следующий этап развития, когда би — и/или полисистемы образуют новую единую систему (моносистему), которая выполняет все функции, входящих в нее систем. Эта операция называется свертывание.

Переход «моно-би-поли» — неизбежный этап в развитии всех технических систем.

После объединения систем в би — или полисистему происходит некоторое изменение новой системы, требующие согласования (п. 4.5.7) составных частей и параметров системы. При этом сокращаются вспомогательные элементы, и устанавливается более тесная связь между отдельными системами. Такие системы называются частично свернутыми. Дальнейшее развитие приводит к полностью свернутым системам, в которых один объект выполняет несколько функций.

Полностью свернутую систему можно представить, как новую моносистему. Ее дальнейшее развитие происходит по новому витку спирали. Иногда в качестве новой моносистемы может выступать частично свернутая система.

Механизмы объединения элементов

Создание надсистемы путем объединения в би — и полисистему может включать следующие виды элементов или систем (рис. 4.42):

1. Однородные:

1.1. Одинаковые;

1.2. Однородные элементы со сдвинутыми характеристиками.

2. Неоднородные:

2.1. Альтернативные (конкурирующие);

2.2. Антагонистические — инверсные (элементы с противоположными свойствами или функциями);

2.3. Дополнительные.

Рис. 4.42. Схема механизма тенденции перехода МОНО-БИ-ПОЛИ

Полностью схема закона перехода системы в надсистему представлена на рис. 4.43.

Рис. 4.43. Общая схема объединения систем

Объединение производится таким образом, что полезные (необходимые) качества отдельных элементов складываются, усиливаются, а вредные взаимно компенсируются или остаются на прежнем уровне. Объединение такого типа возможно, как для достаточно высокоразвитых систем, как и для простых элементов.

Приведем примеры.

1. Создание системы из однородных элементов/систем.

1.1. Одинаковые системы.

Этот вид предусматривает объединение полностью одинаковых систем.

Пример 4.82. Карандаш

Наличие одинаковых карандашей позволяет не тратить время на заточку каждого карандаша. Эту операцию можно проделать заранее.

Пример 4.83. Винтовка

Раньше винтовки или мушкеты были однозарядными, чтобы убыстрить стрельбу использовали две или больше одинаковых винтовок. Из одной стреляли, другую в это время заряжали.

Пример 4.84. Электростанция

Электростанции объединяются в единую энергетическую систему. Тогда мощности этих электростанций можно использовать оптимально, распределяя нагрузку в соответствии с нуждами потребителей.

Пример 4.85. Вагон

Вагоны объединяются в железнодорожный состав.

Пример 4.86. Лихтеровоз

Буксир, как правило, везет одну баржу. Создали судно — лихтеровоз (рис. 4.44), которое перевозит много барж (лихтеров).

Рис. 4.44. Лихтеровоз

Пример 4.87. Обработка тонкого листа

Обработка торцевых поверхностей хрупких деталей (например, из тонкого листового стекла) достаточно сложна, и деталь легко сломать. Для того чтобы этот процесс сделать проще, бездефектным и более производительным детали объединили, склеивая их в единый блок. После обработки клей растворяют

1.2. Однородные системы со сдвинутыми характеристиками.

Элементами со сдвинутыми характеристиками называются однородные элементы с неодинаковыми параметрами, свойствами, характеристиками.

Объединение элементов в систему происходит аналогично объединению однородных элементов.

Пример 4.88. Карандаш

Карандаши разной жесткости или разного цвета. Аналогичный пример, набор шариковых ручек разного цвета объединение стержней или разного цвета чернил в капиллярных авторучках.

Пример 4.89. Винтовка

Использовали две или более винтовок с разными калибрами.

Пример 4.90. Обувь

Пара обуви или пара перчаток — типичный представитель элементов со сдвинутыми характеристиками. Первая обувь не имела специальной формы для левой и правой ноги. Они были полностью одинаковы.

Пример 4.91. Биметалл

Объединение металлов с различными коэффициентами температурного расширения в биметаллической пластине.

Пример 4.92. Катамаран

Объединение корпусов разных размеров и форм в катамаране и полимаране.

2. Создание системы из неоднородных элементов (систем).

2.1. Конкурирующие (альтернативные) системы.

Конкурирующая (альтернативная) система — это система, выполняющая одну и ту же функцию.

Такое объединение систем применяется в тех случаях, когда для выполнения той или иной функции имеется несколько разных путей, несколько физических принципов, а, следовательно, и систем. Объединение, также и в предыдущих случаях, производится таким образом, что недостатки каждого из элементов компенсируется, а преимущества складываются.

Пример 4.93. Карандаш

Для карандаша альтернативным элементом может быть авторучка (перьевая, шариковая, капиллярная), кисточка с красками и т. д.

Пример 4.94 Винтовка

Альтернативой винтовки может быть пистолет, гранатомет, арбалет и т. д.

Пример 4.95. Телескоп

Телескоп Максутова, объединяет линзовые и зеркальные оптические системы. У каждой из этих систем есть свои погрешности, когда эти системы были объединены, то погрешности взаимно компенсировали друг друга.

Пример 4.96. Турбовинтовой двигатель

Турбовинтовой двигатель, объединил преимущества реактивного и винтового двигателя.

Этот вид объединения систем часто применяется в тех случаях, когда одна система достигла своего потолка развития, а другая, более совершенная, еще не может заменить ее полностью.

2.2. Дополнительные системы

Дополнительные системы / элементы — это системы/элементы, выполняющие разные функции. Рассмотрим дополнительные элементы.

Пример 4.97. Карандаш

Дополнительными для карандаша являются: точилка и колпачок.

Карандаш объединяется с точилкой. Вместо колпачка делается убирающийся грифель.

Пример 4.98. Винтовка

Раньше для винтовки дополнительными были: емкость с порохом (пороховница), набор пуль, пыжи, шомпол и т. д. Теперь это: магазины с пулями, штык-нож, оптический прицел.

Пример 4.99. Мебель

Различного рода предметы, объединенные в мебельном гарнитуре.

Пример 4.100. Мотоцикл

Мотоцикл объединила велосипед, двигатель, баки и т. д.

Любое транспортное средство — это как минимум набор двигателя, движителя, системы управления и корпуса.

2.3. Антагонистические системы.

Антагонистические системы/элементы — это системы с противоположными свойствами или функциями. Объединение систем с противоположными функциями позволяет повысить управляемость надсистемы, произвольно менять ее параметры в широком диапазоне и наделить систему новыми функциями.

Пример 4.101. Карандаш

Функции, противоположные карандашу, выполняет резинка или типикс, позволяющие стирать или замазывать текст.

Пример 4.102. Память компьютера

У памяти имеются две противоположные функции — запись и стирание.

Пример 4.103. Кондиционер

В кондиционере имеются нагреватель и холодильник.

Пример 4.104. «Тормоз»

У транспортных средств имеются устройства, которые разгоняют и останавливают их.

У наземных транспортных средств функцию остановки выполняют тормоза. У воздушных и водных — это переключение тяги в противоположную сторону, у самолетов это может быть и парашют.

Развитие би — и полисистем

Дальнейшее развитие новых систем идет путем повышения их эффективностив двух направлениях:

1. Увеличением различия между элементами системы.

2. Развитием связей между элементами.

2.1. Система из практически самостоятельных, не связанных между собой элементов, не изменяющихся при объединении.

2.2. Система из частично измененных, согласованных между собой элементов, которые функционируют только вместе и только в данной системе. Это частично свернутая система.

2.3. Система полностью измененных элементов, которые работают только в данной моносистеме и отдельно применяться не могут.

Приведем примеры.

1. Увеличение различия между элементами системы.

Эффективность новых систем может быть повышена увеличением различий между элементами системы. Движение идет от однородных элементов к элементам со сдвинутыми характеристиками, к альтернативным элементам; к дополнительным элементам, а затем — к инверсным и, наконец, объединению всех возможных вариантов.

Продемонстрируем эту цепочку на примере карандаша, обобщив все описанные ранее варианты.

Пример 4.105. Карандаш

Объединение однородных элементов.

Одинаковые карандаши стоят на письменном столе в стакане. Мы их частично свернули, объединив в стакане.

Элементы со сдвинутыми характеристиками. Карандаши разной жесткости или разного цвета. На рис. 4.45 показаны полностью свернутые конструкции карандашей со сдвинутыми характеристиками. В одном карандаше имеется два цвета (красный и синий) рис. 4.45а (свернутая би-система) или много цветов рис. 4.45б (свернутая поли-система).

Рис. 4.45. Полностью свернутый карандаш со сдвинутыми характеристиками

Объединение разнородных элементов.

Альтернативные элементы. Авторучка. Частичное свертывание — набор авторучки и карандаша. Дополнительные элементы. Точилка и колпачок. Свертывание — выпускались автоматические цанговые карандаши с точилкой. Колпачок слал ненужным (свернутым) — грифель убирается. Инверсные элементы. Резинка и штрих (корректирующая жидкость). Свертывание — карандаш с резинкой. При объединении происходит свертывание элементов.

Выпускаются автоматические карандаши с тонкими грифелями. Эти грифели не нужно затачивать. Не нужен колпачок (грифель убирается). Функции точилки и колпачка полностью свернуты. В этом карандаше могут меняться и грифели (разной жесткости и разного цвета). Кроме того, в нем имеется и резинка. Это полностью свернутая система, включающая карандаш, резинку, отсутствующие точилку и колпачок.

Наконец все указанные элементы были полностью свернуты в моно-систему компьютер, который выполняет и многие другие функции.

2. Развитие связей между элементами.

Эффективность новых систем повышается развитием связей между элементами. Связь элементов изменяется от «нулевой», отсутствующей связи, т. е. от несвязанных между собой элементов системы, до сильных межэлементных связей. Дальнейшее развитие связей во многих системах происходит в соответствии с цепочкой дробления.

Кроме того, при объединении систем может происходить дальнейшее их развитие по линии упрощения. В результате возможны следующие варианты:

2.1. Система из практически самостоятельных, не связанных между собой элементов, не изменяющихся при объединении.

Пример 4.106. Винтовка

Отдельные винтовки. Один человек стрелял и другой в это время заряжал другую винтовку.

Пример 4.107. Карандаш

Отдельные карандаши. Один грифель сломался берут другой

2.2. Система из частично измененных, согласованных между собой элементов, которые функционируют только вместе и только в данной системе. Это частично свернутая система.

Пример 4.108. Двустволка

Два ствола, два курка, но один приклад. Имеет возможность осуществлять два выстрела. Это могут быть и разные патроны. Например, в одном дробь, в другом пуля (сдвинутые характеристики).

2.3. Система полностью измененных элементов, которые работают только в данной моносистеме и отдельно применяться не могут.

Пример 4.109. Автоматическая винтовка (автомат)

Автоматическая винтовка — это полностью свернутая система.

Пример 4.110. Микросхема

Сначала использовали отдельные радиодетали (транзисторы, сопротивления, конденсаторы и т. д.). В дальнейшем их объединили в микросхеме — полностью свернутая моносистема.

Итак, мы рассмотрели цепочку МОНО-БИ-ПОЛИ-СВЕРТЫВАНИЕ.

Переход к би — и поли-системе осуществляется с использованием механизма, описанного раньше (рис. 4.43). Могут использовать однородные и неоднородные системы.

Среди однородных используют:

— одинаковые системы;

— со сдвинутыми характеристиками.

К неоднородным относятся:

— альтернативные;

— инверсные;

— дополнительные.

Свертывание может быть: частичное или полное.

4.5.7. Закономерность увеличения степени согласованности

Закономерность увеличения степени согласованности является основным из законов эволюции технических систем. Структура этих законов показана на рис. 4.46.

Рис. 4.46. Структура закономерности эволюции систем

Структура закономерности согласования

Согласование проводится для недопущения вредных явлений или усиления полезных.

Закономерности согласования, который будет изложен ниже, был сформулирован В. Петровым в 1975—78 гг. Рассмотрим структуру закона согласования.

1. Объекты согласования:

1.1. Потребности.

1.2. Функции.

1.3. Принцип действия.

1.4. Система:

1.4.1. Структура:

1.4.1.1. Элементы.

1.4.1.2. Связи.

1.4.1.3. Форма.

1.4.1.4. Вещество.

1.4.2. Параметры.

1.4.3. Потоки.

1.5. Надсистема.

1.6. Окружающая среда.

1.7. Поля:

1.7.1. Энергия.

1.7.2. Информация:

1.7.2.1.Данные.

1.7.2.2.Знания.

2. Способы согласования:

2.1. Во времени.

2.2. В пространстве.

2.3. По условию.

2.4. Статическое (постоянное).

2.5. Динамическое (переменное).

Принцип действия должен согласовываться с главной функцией, внешней средой, надсистемой и системой.

Процесс согласования принципа действия с главной функцией системы — это обеспечение этой функции, т. е. это выбор принципа действия рабочего органа.

Пример 4.111. Транспортное средство

Главная функция транспортного средства — это перемещать груз или людей из одного пункта в другой. Это может быть выполнено по поверхности земли, под землей, по воздуху, по поверхности воды, под водой и в космосе.

Первоначально выбирается направление. Это согласование с внешней средой. Например, выбрали перемещение по поверхности земли.

Затем выбирается принцип действия перемещения по поверхности земли. Например, это может быть: перемещение по дороге, по рельсам, по пересеченной местности и т. д.

Принципы действия могут принципиально отличаться: движение с помощью колеса, гусениц, воздушной подушки, ног и т. д. Это согласование с надсистемой. Например, выбрали надсистему — дорогу. Тогда один из принципов действия может быть перемещение с помощью колеса.

Далее этот принцип действия нужно согласовать с системой.

В качестве системы могут быть: автомобиль, автобус, грузовик, трактор и т. д., например, выбрали автомобиль.

Остальные согласования будут осуществляться в системе.

На системном уровне закон включает согласование:

— систем;

— подсистем;

— надсистем;

— внешней среды.

При согласовании систем, прежде всего, необходимо согласовать ее структуру. К структуре, в частности, относятся форма, расположение отдельных элементов и их взаимодействие.

Структура системы определяется элементами и связями.

Связи могут быть:

— вещественные;

— энергетические;

— информационные.

Системные понятия структуры, ее элементов и связей, и их видов (вещество, энергия, информация) относятся так же к подсистемам, надсистеме и внешней среде.

Параметры могут быть:

— технические;

— эргономические;

— экономические;

— экологические;

— эстетические.

— социальные;

— политические;

— и т. д.

Согласование ритмики частей системы относятся к одному из видов параметрического согласования.

В общем случае согласование проводится по всем указанным выше структурным направлениям. Оно представляет собой комбинацию этих структурных направлений и поднаправлений закона согласования. Таким образом, может быть построена сложная морфологическая структура, в виде морфологической матрицы с подматрицами. Своего рода сочетание графа древовидной структуры и перебора всех вариантов на каждом из уровней графа в виде морфологической матрицы.

На системном уровне закон согласования относится как к группе законов организации технических систем (в виде минимального согласования), так и к группе законов эволюции технических систем.

Рассмотрим отдельные виды согласования на системном уровне.

Согласование структуры предусматривает согласование элементов и связей.

Согласование элементов.

Пример 4.112. Развитие радиоэлементов

В приемнике лампы заменили транзисторами, транзисторы — микросхемами.

Под согласованием элементов понимается и согласование материалов, формы и размеров.

1. Согласование материалов.

Согласование материалов проводится для недопущения вредных явлений и/или усиления полезных.

Материалы могут выбираться:

По качеству:

— однородные;

— разнородные.

По месту расположения:

— во всем объекте;

— в определенном месте.

Пример 4.113. Статическое электричество

Применение однородных материалов, чтобы не допустить появление статического электричества и обратное явление, когда необходимо использовать свойства статического электричества.

2. Согласование формы.

Согласование формы проводится для обеспечения необходимых свойств, например, придание оптимальной формы.

Пример 4.114. Обувь

В обуви больше всего изнашивается пятка и носок. В кроссовках сделали скошенную пятку и поднятый носок. Согласовали кривую движения ноги с формой подошвы обуви.

Пример 4.115. Боковое зеркало автомобиля

Боковое зеркало автомобиля предложено делать переменной выпуклости, например, с помощью гидравлики. Такое зеркало может быть ближнего и дальнего обзора.

Пример 4.116. Дизайн

Красивые эстетические формы не только используются в архитектуре и искусстве, они важны для предметов широкого потребления.

Согласование связей

Согласование связей осуществляется:

1. Устранением ненужных или вредных связей.

Пример 4.117. Помехи

Чтобы избавиться от помех в радио и электронной аппаратуре ставят экраны или различные фильтры.

2. Объединением (свертыванием) полезных связей.

Пример 4.118. Сотовый телефон

Первоначально электронная почта передавалась со стационарного компьютера по телефонной линии. В дальнейшем можно было использовать переносной компьютер и сотовый телефон. Современные сотовые телефоны объединили (свернули) эти функции. Теперь пользоваться электронной почтой можно, используя только сотовый телефон.

3. Расположением отдельных элементов и их взаимодействие.

Пример 4.119. Вредные связи

Вредные явления и взаимосвязи в системе могут быть устранены изменением расположения ее подсистем.

Согласование параметров

Согласование политических параметров осуществляется, например, по дипломатическим каналам или в виде встреч на высшем уровне. К таким параметрам, например, относятся территориальные претензии, сферы влияния, урегулирование политических конфликтов и т. д. Например, арабские страны часто диктуют цены на нефть.

Для согласования различных политических параметров в свое время были созданы ООН, НАТО и другие политические и военные организации.

Эстетические параметры согласовываются при архитектурных разработках, при создании интерьера, при разработке новой моды и т. д.

Социальные параметры согласовываются при определении минимальной заработной платы, минимальной пенсии, мероприятий здравоохранения и т. д.

Экологические параметры должны быть согласованы при разработке новых заводов, электростанций, других сооружений и технологий.

Экономические параметры согласовываются при любых видах деятельности.

Согласование эргономических параметров важно не только при создании новой техники, но и при разработке игрушек, спортивных снарядов и оборудования и т. д.

Приведем пример на согласование размеров.

Пример 4.120. Кукла

Некоторыми куклами ребенок играет несколько лет. Размеры куклы не меняется. Не плохо бы, чтобы и кукла росла вместе с ребенком…

В США выпускаются надувные игрушки из пластика, которые способны расти вместе с ребенком. Надо лишь подкачать сжатого воздуха.

Основное внимание мы уделим согласованию технических параметров.

Пример 4.121. Согласование параметров

При разработке электрических и радиоприборов согласуются сопротивления, конденсаторы, индуктивности, частоты и т. д.

Разработка сложных систем требует четкой согласованности входных и выходных характеристик соединяющихся блоков. Такое согласование идет по многим параметрам.

Пример 4.122. Космическая станция

Завершалась разработка космической станция «Венера-12». К конструкторам пришел ученый из Института геохимии и аналитической химии. Он попросил разместить в спускаемом аппарате станции еще один прибор весом 6 кг. Конструкторы только посмеялись над ним. Надо отметить, что в автоматических космических аппаратах очень плотная упаковка, где учитывается каждый грамм веса и кубический сантиметр пространства.

В спускаемом аппарате был центровочный груз, что бы он занимал строго определенное положение в пространстве. Конструкторы догадались заменить центровочный груз прибором, который одновременно выполнял свои функции и функции груза. Таким образом, была свернут (убран) центровочный груз, а его функция была передана прибору.

Пример 4.123. Шины самолета

В момент касания колеса шасси самолета посадочной полосы, колесо сильно истирается. Это происходит из-за очень большого трения, возникающей в результате разности скоростей движения самолета и неподвижной посадочной полосы. Как правило, такие колеса меняются после нескольких посадок. Это очень дорого.

Соответственно нужно было согласовать эти скорости и сделать разницу скоростей, как можно меньше или равной нолю. Следовательно, нужно или делать «бегущую» посадочную полосу или раскрутить колесо шасси. Естественно, значительно легче раскрутить колесо. Для этого нужно использовать имеющиеся ресурсы — набегающий поток. На боковой поверхности колеса сделали направляющие (лопатки). Набегающий поток раскручивал колесо, и оно крутится точно с той же скоростью, с которой движется самолет²².

Согласование ритмики

Этот вид параметрического согласования выделен, так как достаточно часто используется в технике.

Под ритмикой мы понимаем временную диаграмму, частоты и периоды работы системы. Эти параметры должны быть согласованы для повышения эффективности работы системы и отсутствия нежелательных эффектов.

Согласование временных характеристик может проводиться:

1. Заданием строгой определенной последовательности работы.

Пример 4.124. Ритм работы

Конвейерная линия, последовательность работы на различных автоматах, график работы и т. п.

2. Динамичный график работы. Последовательность действий меняется в зависимости от устанавливаемых критериев.

Пример 4.125. Виды воздействия

В сложных технологических процессах виды и режимы обработки меняются в зависимости от свойств, которые необходимо получить, от состояния и вида объекта и т. д.

В медицине виды и продолжительность воздействия на пациента зависят от его состояния. Воздействия автоматически изменяются в зависимости от изменения определенных показателей состояния пациента.

3. Процесс делается прерывистым (импульсным) и в паузы одного процесса вставляется другой процесс. Это может экономить время проведения процесса или проводить два и более взаимоисключающих процесса.

Пример 4.126. Телегазета

С экрана телевидения можно прочесть телегазету. Для этого не используется специальный канал. Информация, несущая текст газеты, распределяется между сигналами телепрограммы. Специальная приставка позволяет прочесть текст газеты слитным. В современных телевизорах такая «приставка» встроена внутри.

Согласование частоты работы системы:

1. Согласование частот работы системы.

Пример 4.127. Радиоаппаратура

Чтобы ликвидировать вредные воздействия отдельных блоков радиоаппаратуры, предварительно согласовывают частоты их работы.

Пример 4.128. Массаж

Предложено массаж тела делать в ритме сердечных сокращений²³.

Пример 4.129. Свисток для собак

В определенных условиях человек должен давать собаке различные команды, но их не должны слышать другой человек. Придуман «свисток», который излучает сигналы на высокой частоте, которые не может различить ухо человека, но собака слышит их.

2. Согласование работы, действий и с собственной частотой объекта.

Пример 4.130. Резка стекол

Для повышения эффективности резки стекла делают надрез на его поверхности и подают на стекло акустические колебания, с частотой равной частоте собственных колебаний стекла (а.с. 996 347). Стекло намного быстрее и точнее режется.

3. Динамическое согласование частот работы с собственной частотой объекта.

Пример 4.131. Воздействие на человека

Давно замечено, что низкие частоты отрицательно влияют на человека и даже могут убить его. Это свойство использовали для создания психологического оружия.

Многие органы человеческого тела имеют довольно низкие резонансные частоты: голова 20 — 30 Гц, вестибулярный аппарат 0,5 — 13 Гц, руки 2 — 5 Гц, а сердце, позвоночник, почки имеют общую настройку на частоту около 6 Гц.

Во Франции изобретен свисток для разгона демонстраций. В пятимильной зоне люди чувствуют во всем теле сильную болезненную вибрацию.

В США созданы инфразвуковые «прожекторы», которые создают в атмосфере акустические волны, способные повредить зрение, вызвать тошноту, страх… Это новый вид психотропного оружия. На этих частотах звук легко проникает сквозь бетонные и металлические преграды. Можно предположить, что этот вид воздействия доведен до совершенства и для разных целей воздействуют на разные участки тела, изменяя частоту воздействия.

4. Согласование путем складывания противоположных сигналов или в противофазе.

Пример 4.132. Подавление шумов

Один из способов подавления шумов. Шумы улавливаются микрофоном, инвертируются и подаются точно такой же амплитуды обратно. Сигналы складываются и взаимно уничтожают друг друга.

Пример 4.133. Динамики

Часто на разных участках пространства требуется передавать через динамики разную информацию. Эта ситуация встречается в выставочных залах и других больших залах. Если передавать различную информацию через динамики, развешенные в разных местах зала, то возникнет явление реверберации (наложения одних волн на другие), то речь станет не различимой и будет только шум.

В Японии разработана аппаратура, накладывающая сигнал голоса дикторов на несущие ультразвуковые колебания, излучаемые динамиками. В каждый участок пространства направлено два динамика. Они излучают два направленных противофазных ультразвуковых луча. Лучи пересекаются в нужной зоне зала. Несущая (ультразвуковая) частота уничтожается, а остается только голос диктора.

Этот же принцип используется при радиопередаче. Несущая частота в радиоприемнике уничтожается, и остается только нужный сигнал.

Пример 4.134. Определение отека легких

Чтобы предотвратить отек легкого, необходимо знать количество жидкости, содержащейся в легких. Это осуществляли с помощью определения электрического сопротивления. Для этого ставили один электрод на груди и один на спине. Подавая на электроды малый ток, определяли сопротивление. Так как сопротивление кожи почти в 20 раз больше, чем сопротивление легких, то изменение сопротивление в легких было практически невозможно. Кроме того, сопротивление кожи изменяется по разным причинам.

Профессор Павел Рабинович из Израиля, предложил ставить с каждой стороны по три электрода. Это позволило при измерении вычесть составляющую кожного измерения и измерять только изменение сопротивление легких²⁴.

4.5.8. Закон свертывания — развертывания системы

Закономерность свертывания — развертывания является основным из законов эволюции технических систем. Структура этих законов показана на рис. 4.47.

Рис. 4.47. Структура закономерностей эволюции систем

Закономерность свертывания — развертывания включает два закона:

1. Закономерность свертывания;

2. Закономерность развертывания.

Закономерность свертывания — развертывания заключается в том, что любая система в своем развитии сворачивает или разворачивает функции и элементы систем.

Этот закон увеличивает степень идеальности системы.

Закономерность свертывания.

Эта закономерность увеличивает степень идеальности за счет сокращения числа элементов системы без ухудшения (или при улучшении) функционирования.

Закономерность развертывания.

Эта закономерность увеличивает степень идеальности за счет увеличения числа функций, выполняемых системой без ее усложнения.

Закономерность свертывания

Данная закономерность — один из способов увеличения степени идеальности, путем снижения себестоимости системы. Легче всего это осуществить, устраняя части системы. Идеально, когда при этом, функциональность системы не ухудшается, а остается той же или повышается.

Достичь этого можно, перераспределив полезные функции свернутых элементов между оставшимися элементами, а также их передачей элементам надсистемы или подсистемы.

Пример 4.135. Автомобиль

В автомобилях имеется тенденция помещать электродвигатель в колесо. Каждое колесо имеет свой двигатель, что позволило каждым колесом управлять отдельно, что значительно увеличило маневренность. Стало возможным разворачиваться на месте и осуществлять параллельную парковку.

Это пример на свертывание преобразователя энергии — трансмиссии и переход к более управляемому полю (переход от механического к электрическому полю).

Пример 4.136. Зубная щетка на пальце

Пример на свертывание ручки зубной щетки изображен на рис. 4.48. Функцию ручки выполняет палец — элемент надсистемы. Щетка стала компактной.

Это пример на свертывание трансмиссии (связи).

Рис. 4.48. Зубная щетка на пальце²⁵

Пример 4.137. Зубная щетка — ионы

Имеется зубная щетка, которая чистит зубы без пасты и воды (рис. 4.49). В щетке имеется стержень из диоксида титана, размещенный в прозрачной оболочке. При воздействии света стержень высвобождает электроны, которые при взаимодействии со слюной вырабатывают ионы водорода, разлагающие зубной налет.

Данный пример на свертывание надсистемных элементов (пасты и воды) и процесса механической очистки зубов — процесс перешел на микроуровень.

Рис. 4.49. Зубная щетка — ионы²⁶

Правила свертывания:

— свертываются элементы или операции, выполняющие вредные функции;

— затем свертывают маловажные элементы или операции особенно с большой относительной стоимостью;

— можно свернуть дополнительные элементы или операции, если какой-то элемент или операция выполняют эту функцию самостоятельно;

— функции устраненных элементов или операций должны быть переданы другим элементам или операциям системы (подсистемам) или надсистеме. Функции свернутых операций могут быть осуществлены на: предыдущих, последующих или параллельных операциях.

Свернуть можно некоторые неважные функции системы. Это позволит снизить себестоимость системы, за счет отсутствия затрат времени и средств на их выполнение.

При свертывании широко используются все виды ресурсов.

Рассмотрим некоторые пути свертывания технических систем:

1. Передача функций, свернутых частей системы другим элементам системы или операциям процесса.

2. Вытеснение части системы или операции в надсистему.

3. Миниатюризация.

4. Переход в подсистему.

Удаление элементов и передача их функций другим элементам системы

Свертывание осуществляется за счет передачи функций свернутого элемента другим элементам системы.

Конец ознакомительного фрагмента.

Примечания

12

URL: https://www.tadviser.ru/index.php/Продукт:UiPath_Platform

13

URL: https://monobank.org.ua

14

URL: https://www.rbc.ru/crypto/news/5c654b179a79472c255271aa

15

URL: https://iconspeak.world/

16

URL: https://iot.ru/wiki/umnoe-selskoe-khozyaystvo

17

URL: https://www.popmech.ru/technologies/9590-chudesa-levitatsii-mikroskopicheskie-roboty/URL: http://technicamolodezhi.ru/news/novosti_nauki_i_tehniki/robot_%E2%80%93_levitator

18

URL: http://robotrends.ru/pub/1607/mikroskopicheskie-roboty-izlechat-ot-raka

19

URL: https://ria.ru/20180212/1514488251.html?in=t

20

URL: https://nplus1.ru/news/2018/07/18/rolls-royce

21

URL: https://ki-news.ru/2021/02/10/10-novyh-robotov-kotorye-izmenyat-mir/

22

Пат. Франции №2 600 619.

23

А.с. 1163853.

24

Патент США 4 749 369.

25

http://www.amazon.co.uk/Emmay-Health-Silicone-Finger-Toothbrush/dp/ B002L3TTQU http://www.jefferspet.com/products/petrodex-finger-gloves

26

https://vk.com/wall-38808673?offset=40&own=1&z=photo-38808673_290872033%2Fwall-38808673_67

http://soladey.narod.ru/work.htm