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

– 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.