Законы развития технических систем. ТРИЗ

Выбор мощного и быстрого автомобиля обычно не связан с необходимостью скорее добраться до нужного места. Это выражение желания увеличить собственную привлекательность в глазах противоположного пола. По этой же причине рычание бесшумного электромобиля создают искусственно, добиваясь повторения внешнего эффекта работы мощного двигателя внутреннего сгорания.

К удовлетворению отдельной потребности можно отнести удовольствие от вождения автомобиля, поэтому водитель всегда обращает внимание на удобство управления, на качество кресел, на наличие хорошего обзора, обогрева лобового стекла, камеры заднего вида и электронного управления зеркалами. Важны также дизайн и качество отделки – без достаточно высокого уровня их реализации потребителю будет сложно ощутить удовлетворенность, а для кого-то важна еще его мощность и скоростные характеристики. Чем более важной мы считаем какую-то из ценных сторон использования функционального средства, тем сильнее ее воздействие.

Теория рационального выбора говорит, что логика уместности диктует людям максимизировать выгоду и минимизировать затраты, но на принятие решений сильно влияют эмоции. Чем более яркие эмоции рождает товар, тем менее человек опирается на анализ рациональности его приобретения.

Экспрессивность технического средства может состоять в его модном дизайне, в его чувственной привлекательности, связанной с какими-то личными ассоциациями, или в его престижности. Эмоциональному выбору свойственна целостность, сфокусированность и необъяснимость словами. Суждения словами, соответствующие эмоциональному выбору: «это мне нравится» и «это мне подходит».

Логический анализ товара направил бы мысли в сторону его функциональных свойств и цены («эта вещь добротная и дешевая»), но эмоции делают выбор менее осмысленным. Чем сильнее эмоции, тем больше они доминируют и результативнее отключают логику – этот древний аналитический подход появился гораздо раньше логического мышления.

Учитывая, что эмоциональные оценки в значительной степени влияют на потребительский выбор, производители уделяют большое внимание дизайну, используют соответствующих специалистов и экспертов для разработки привлекательного набора качеств продукта, применяют анкетирование и тестирование в фокус-группах, и проводят сравнительное исследование различных сценариев использования разрабатываемых технических средств.

К примеру, скачанный видеоролик обычно содержит рекламу. Если для того, чтобы продолжить просмотр, нужно досмотреть рекламу, это бесит, даже при длине рекламы в 10 секунд. Придумали следующий фокус: пусть ролик будет длиннее, но появится сообщение о том, что с пятнадцатой секунды его можно отключить. Предоставленная возможность управления решает задачу. Теперь просмотр длиной 15 секунд воспринимается почти спокойно.

В принятии решения о покупке потребитель делает и оценки эргономичности технического средства. Понятие удобства в работе может создавать ощущения в интервале от «удобно» до «невозможно пользоваться», и поэтому может потребоваться обучение потребителя приемам обращения.

Инженерная психология – современная отрасль, которая изучает пути оптимизации взаимодействия человека с техническими устройствами. Очень важно в сценарии использования технических средств учесть ограниченность возможностей человека в скорости и точности реакций, в запоминании, в координации движений, и учесть рабочие условия, в которых человек будет принимать решения – его мотивацию, его утомление или состояние стресса.

Маркетинг выстраивает свои стратегии на основе психологических механизмов, которые управляют поведением потребителя. Зачастую поведение строится на комплексе подсознательных ощущений, одну из сторон которых всегда используют в рекламном образе продукта.

Как человек делает выбор способа разрешения своей проблемы?

Чаще мы покупаем именно те практичные вещи, которые запланировали, но в другом случае мы с легкостью приобретаем то, чем пользоваться не будем, или будем пользоваться, понимая, что это не лучший выбор. Мотивация носит многосторонний характер, но в итоге каждое решение является эмоциональным – мы приобретаем, если испытываем внутреннюю удовлетворенность от представления о владении.

Но принимая важное решение, вслед за эмоциональной оценкой всегда следует поиск его логического оправдания, и без логического подтверждения правильности выбора мы действовать не станем.

Чем выше заинтересованность в результате поступка, тем больше логика будет доминировать над эмоциями, поэтому, чтобы совершить важный шаг, человеку нужно его логически обосновать.

Известный исследователь маркетинга в специфической области крупных продаж и разработчик технологии СПИН-продаж (СПИН – ситуация, проблема, извлечение, направление) Нил Рекхэм говорит, что почти невозможно совершить крупную сделку, не выявив и не разрешив проблемы клиента.

Решение человека потратить большие деньги – это всегда баланс между серьезностью проблемы и затратами на ее решение, и если проблема не выявлена и не разрешена, то сделки не будет.

Однозначно верна логика начать действовать, если выбранный путь имеет существенные и бесспорные преимущества. Каждый из нас сталкивался в личной жизни и в работе с таким явлением, как «паралич анализа» – это отсутствие физической и эмоциональной решимости вознамериться что-то сделать, если имеются равноценные позитивный и негативный вариант развития событий, или сложно прогнозировать вероятное направление их течения.

Есть и обратная сторона у логически сделанных выводов: если проблема не критически важная и есть перспектива ее разрешения, даже фальшивая, то она может действовать гипнотически – ломать волю и принуждать решиться! Найдутся почти у каждого из нас такие примеры решительного выбора со снимающими напряжение словами: «А, ладно, …».

Рационально было бы взять паузу, и затем спокойно взвесить, но объективной опоры в выборе решения нет, и кажется, что взвесить невозможно – есть лишь радостное ожидание благоприятного стечения обстоятельств.

Таким образом, функциональное средство будет пользоваться спросом лишь в случае, если его характеристики согласуются с восприятием и с задачами потребителя.

Изменение уровня согласованности системы во времени.

Согласование ТС нацелено на результативность ее работы, но требования могут быть вариативны. Цель управления – это согласование цели использования системы и результата ее работы во времени.

Невысокое качество работы и недостаточную производительность ТС может определять плохая контролируемость операций и состояния инструмента, а также низкая эффективность функциональных действий.

Существуют и внешние требования, с которыми должна быть согласована работа системы – еще один уровень управления создает влияние целей надсистемы, субъекта потребления и социума, и эти задачи могут меняться. Надсистема, субъект потребления и социум, согласовывая устройство ТС и ее работу со своими задачами, учитывают продуктивность работы системы, оценивают ее экономические характеристики, оценивают виды и уровень вреда, создаваемого ее использованием. С учетом этих задач может потребоваться соответствующее изменение системы или развертывание ее подсистем, если она не справляется с задачей.

К примеру, одним из путей увеличить сбыт является привлечение внимания к товару. Для этого Николь Клико решила выделить свой продукт на полках магазина – она стала выпускать бутылки шампанского «Вдова Клико» с этикетками желтого цвета.

Для того чтобы лучше удерживать обильное количество грязи и воды, переносимое обувью в определенных погодных условиях, у современных автомобильных напольных ковриков появились борта.

В 2025 году, с целью снизить уровень загрязнения воздуха в городах, Государственной думой Федерального собрания Российской Федерации обсуждается закон о введении ограничения использования автомобилей, экологичность которых не соответствует стандартам Евро-5.

Предварительно выполненное физическое согласование элементов системы и заранее разработанный набор управляющих воздействий в дальнейшем может упростить управление.

Если работать одним веслом и только с одного борта, то лодка будет крутиться на месте, но только не венецианская гондола. Способ взаимодействия элементов венецианской гондолы учитывает несимметричность работы ее движителя.

Длина гондолы 11 метров, ширина – 1,4 метра, вес около 400 килограмм. Левый борт ее корпуса на 24 сантиметра длиннее правого, что уравновешивает движение при работе одним веслом и только со стороны правого борта.

У венецианской гондолы особая эстетика и особая техника управления. Гондольер не гребет веслом, а лишь немного раскачивает лодку и чуть поворачивает весло. Благодаря этой технике тяжело груженая лодка идет также легко и быстро, как пустая. Специальные приемы управления позволяют делать повороты вправо и влево, и двигаться назад.

Для того, чтобы управлять работой ТС в соответствии с внешними требованиями, необходимо подчинение управляющего воздействия соответствующему алгоритму, а, чтобы контролировать и учитывать работу элементов системы, необходима обратная связь.

Увеличение согласованности может быть реализовано за счет точности, дискретности и объемов контроля, и соответствующего своевременного корректирования работы системы.

К примеру, идея Николь Клико сделать этикетки для шампанского желтыми не сработает, если на бутылках всех напитков вдруг появятся яркие наклейки.

Наилучший результат согласования дает соответствие частоты контроля частоте изменений согласовываемых характеристик. При непредсказуемом характере изменения согласовываемых характеристик, наилучший результат согласования даст непрерывный контроль и непрерывное корректирование.

Например, управление автомобилем в меняющейся дорожной обстановке.

Несогласованность взаимодействия элементов системы во времени может характеризовать имеющаяся вероятность появления нерасчетных характеристик во взаимодействии подсистем и неконтролируемость этих отклонений.

Всесторонний контроль состояния и результативности работы исполнительных устройств, в большинстве случаев – громоздкое техническое решение. Для защиты от сбоев рационально использование компенсаторов и ограничителей. Использование предохранительных устройств, которые защитят элементы системы от сбоев в работе и перегрузок – это одна из сторон согласования подсистем.

К примеру, это применение плавких предохранителей, автоматических выключателей, стабилизаторов напряжения, устройств токовой защиты и источников бесперебойного питания в электрических цепях.

Защитные устройства в цепях передачи механической энергии: предохранительные муфты, срезные штифты и шпонки, шарниры, используются для этой цели и пружины, механические и гидравлические амортизаторы, гасители колебаний, виброзащита, средства защиты от резонанса, компенсаторы ударов (деформируемые, коробчатые, слабое на разрыв звено), деформационные зазоры, изнашиваемые накладки и вкладыши, ограничители перемещений.

От тепловых перегрузок защищают тепловые реле; полупроводниковые или биметаллические сенсоры; термопредохранители – эти устройства реагируют только на температуру, их обычно устанавливают в электроприборах для защиты от несрабатывания автоматического выключателя; компенсаторы тепловых перемещений; материалы для теплоизоляции.

5.

Законы синтеза систем

Некоторые определения.

Техническая система – это совокупность взаимодействующих элементов, обладающая свойством, не сводящимся к свойствам отдельных элементов, и предназначенная для выполнения определенных полезных функций.

Функция – модель влияния инструмента на объект (на «объект функции» или «изделие»), имеющего результат в изменении или поддержании состояния этого объекта.

Рабочий орган – инструмент, который выполняет главную функцию системы, реализуя воздействие, для которого предназначена данная система.

Главная функция – описание полезного воздействия на объект, для которого предназначена система. Например, для ледокола функция удалять (действие) лед (ОФ).

Основная функция – модель воздействия, которое обеспечивает выполнение главного. Основная функция описывает принцип действия, позволяющий реализовать функцию главную. Например, для ледокола основная функция разрушать (действие) лед (ОФ) обеспечивает выполнение главной функции – удалять лед.

Принцип действия – физический, химический, математический, биологический, психологический, социальный или другой эффект, или совокупность эффектов проявления свойств системы, вещества или информации, обеспечивающих результат ее действия. Является основной функцией системы.

Вспомогательная функция – модель воздействия, которое обеспечивает выполнение основного. Вспомогательная функция описывает способ реализации основной функции. Например, для ледокола вспомогательная функция давить (действие) лед (ОФ) описывает способ выполнения основной функции – разрушать лед.

Назначение ТС (его описывает главная функция ТС и ОФ) – класс понятия, к которому относится действие физического, химического, математического, биологического, психологического, социального или другого эффекта, или совокупности эффектов проявления свойств системы, вещества или информации, обеспечивающих ее полезную определенную действенность. Например, назначение ледокола «удалять лед» (главная функция).

5.1.

Закон полноты частей системы

Условием принципиальной жизнеспособности системы является функциональная полнота ее структуры частями, которые могут обеспечить системе определенную действенность.

Техническая система предназначена определенным образом воздействовать на объект ее функции. Действенность системы обеспечивает наличие в ней следующих частей: источник энергии (ИЭ), двигатель (ДВ), трансмиссия (ТР), рабочий орган (РО) и орган управления, или если это отдельная управляющая структура – система управления (СУ).

Требуемое полезное действие на объект функции осуществляет рабочий орган. Рабочий орган – единственная функционально полезная человеку часть технической системы, и это самая подчиненная часть системы – все другие подсистемы работают на нее. Действие рабочего органа всегда направлено на объект, который находится в надсистеме.

ОФ всегда вне ТС. Объект функции системы – это часть надсистемы.

Составляющие систему части должны быть согласованы по своим свойствам и параметрам этих свойств, что необходимо для обеспечения работоспособности системы, а изменение какой-либо из частей технической системы может потребовать изменение остальных.

К примеру, увеличение мощности двигателя в устройстве потребует укрепления трансмиссии, несущих элементов корпуса и усиления рабочего органа, может потребовать применения других материалов.

Всесторонняя целенаправленная согласованность элементов системы реализуется процессом проектирования путем последовательных циклических изменений идеи устройства системы, с каждым новым витком которых исключаются ошибки, повышается точность согласования, снижаются риски и нерациональные издержки – это основной принцип синтеза системы.

Элемент – минимальная единица системы, способная к выполнению некоторой элементарной функции. Это относительно целая часть системы, обладающая некоторыми свойствами, неисчезающими при отделении ее от системы.

Учитываемые в системе свойства элемента не равны всем его свойствам – в системе используется только полезная часть его свойств.

Структура системы – это совокупность элементов и связей между ними, которая предназначена путем их взаимодействия реализовать требуемую действенность (полезную функцию), обращенную на объект (на объект ее функции).

Структура – это порядок взаимного соединения элементов в системе, который отражает подчиненность элементов. Структура и способ организации связей элементов является программированием работы системы – заданием ее поведения с целью получения на выходе полезной функции.

Принципы построения структуры.

• Принцип функциональности.

Функция одного элемента рождает следствие его воздействия на другой.

Результат воздействия системы на объект ее функции создает функциональная цепь элементов ее структуры.

• Принцип дополнительности.

Последовательно соединяясь, в этой цепи взаимодействий один элемент дополняет своими свойствами другой.

• Принцип полноты частей.

Необходимая полнота элементов системы обеспечит ее работоспособность – преобразует энергию источника в нужный вид, трансформирует ее до нужных параметров и подведет к рабочему органу.

• Принцип причинности.

Отобрав элементы для будущей системы, мы соединяем их, обеспечивая логику этого соединения, и согласовывая их свойства, а вид соединения и его параметры создают возможность их взаимодействия, необходимый уровень этого взаимодействия и его результат.

К примеру, возможность управления системой требует восприимчивости к управляющему действию хотя бы одной из ее частей.

Так, чтобы отключить электрочайник, надо иметь возможность (каким-либо образом) разомкнуть его соединение с электрической сетью, а надежность разъединения может быть обеспечена несколькими одновременными возможностями: мы можем переключить выключатель, можем снять чайник с подставки, тем самым разъединив электрические контакты, и можем вынуть соединительную вилку из розетки.

Формула работоспособной синтезируемой системы:

функция + совокупность элементов + структура элементов + внутреннее согласование свойств элементов + организация взаимодействия элементов + внешнее согласование воздействия совокупности элементов = полезный системный эффект

Результативное воздействие ТС описывает главная функция. Вид этого функционального воздействия выбирается в зависимости от объекта функции и требуемых его изменений.

Когда функция выбрана, выбирается способ ее реализации – эффективный принцип действия и рабочий орган, которые затем дополняют элементами, обеспечивающими работоспособную полноту частей системы.

Требуемая функция и выбранный физический принцип ее осуществления неоднозначно задают структуру. Структура для реализации функции отражает причинно-следственные связи между элементами, и она всегда вариативна, вариативны и способы достижения согласованности элементов. Каждый из вариантов реализации имеет определенный уровень результативности и имеет свойственные ему недостатки.

Выбор элементов для будущей системы, их расположение и их функциональные связи многовариантны.

Каждое отдельно взятое взаимодействие между элементами структуры, как и воздействие рабочего органа на объект функции, может иметь варианты реализации, поэтому причинно-следственная цепь каждой связи имеет разветвления, и далее предстоит выбор версии ее исполнения. Схематично это можно изобразить следующим образом:

Функция → ПД1 → РО11 → Структура элементов111

      → Структура элементов112

→ РО12       → Структура элементов121

      → Структура элементов122

→ ПД2 → РО21 → Структура элементов211

      → Структура элементов212

Техническая система имеет 4 главных признака:

• полноценность структуры (функциональная полнота и последовательность соединения элементов);

• функциональность (потенциальная работоспособность элементов структуры);

• организация взаимодействия (реализация действенности);

• системное качество (пригодность для результативного выполнения задачи).

Отсутствие хотя бы одного признака не позволяет считать объект технической системой – такой объект можно назвать частью системы, ее подсистемой или это только набор элементов, если он не ориентирован на достижение определенной цели.

Структура элементов и организация их взаимодействия создают действенность системы, а системный эффект от реализации этого взаимодействия позволяет достичь требуемого результата – удовлетворить потребность. Системный эффект может выражаться в появлении нового полезного свойства или в значимом увеличении параметров уже имеющегося – в таком, которое позволяет добиться цели.

Простой пример. Для повышения чувствительности поплавковой рыболовной удочки рядом с крючком на леске закрепляют грузило. Если одного грузила недостаточно для того, чтобы леска натянулась и поплавок принял вертикальное положение, а два отлично справляются с задачей, то два грузила создают в системе требуемый системный эффект.

Поясним эти признаки подробнее.

Пример.

Допустим, требуется разделить буханку хлеба (на части).

В одном случае нам необходимо получить аккуратные ломти хлеба нужной толщины, а в другом – мы просто хотим отделить от буханки кусок, собираясь по-быстрому перекусить. Рассмотрим ряд вариантов функционального воздействия подручными инструментами и оценим результативность их применения.

ПД1: рассечь (основная функция).

Вспомогательная функция11 – надавить на хлеб лезвием ножа. Лезвие ножа, при надавливании на него, будет сминать хлеб. Чтобы разделить хлеб на аккуратные ломти, нужно добавить еще одно действие – продольное перемещение лезвия.

Вспомогательная функция12 – ударить лезвием кухонного топорика.

Этим функциональным действием нам не удастся получить аккуратные части – лезвие будет сминать хлеб.

Вспомогательная функция13- сжать хлеб между двумя лезвиями ножниц. Аналогично предыдущим вариантам, ножницы тоже будут сминать хлеб. Следует отметить, что справятся только те хозяйственные ножницы, что помощнее, и сжимающее усилие рук должно быть довольно значительным.

ПД2: разрезать (основная функция).

Вспомогательная функция21 – возвратно-поступательные движения

зубчатым ножом.

Вспомогательная функция22 – вращательно- поступательное движение дискового ножа хлеборезки.

Оба последних варианта позволят аккуратно разделить хлеб.

ПД3: разорвать (основная функция).

Вспомогательная функция31 – гнуть руками (чтобы отломить).

Вспомогательная функция32 – растягивать руками. Этот способ имеет варианты реализации – все мы любим еще и отщипывать свежий хлеб.

Какой принцип действия выбрать? Не все эти способы дают эстетичный результат, не все эффективны и не все удобны, некоторые из них могут потребовать дополнительных действий (возможно, для нарезки еще понадобится достать разделочную доску), но, когда мы торопимся, нам больше подходят те инструменты, которые «под рукой» – выбор определяет рациональный баланс между возможностями и требованиями к результату действий.

Даже для простых бытовых задач мы применяем и более сложные функциональные средства, и более громоздкие технологические процессы. В этом случае выбор элементов и их структура для реализации принципа действия будут еще более многовариантны – может быть выбран другой источник энергии, другие преобразователи энергии и другая трансмиссия, и их работа может быть организована по-разному.

Пример.

Потребность: допустим, нужно приготовить еду.

Пусть это будут куриные яйца (ОФ), а их приготовление будет заключаться в стерилизации и получении определенных вкусовых качеств за счет нагревания.

Выбранная главная полезная функция – нагреть куриные яйца до температуры 100оС или выше.

Выберем принцип действия. Это основное функциональное действие – то, которое реализует главное. Для выбора ПД имеется несколько вариантов.

Варианты ПД: варить в воде, обработать водяным паром, жарить на сковороде, запечь в горячем воздухе духовки или обработать тепловым излучением углей в печи.

У каждого из этих ПД будут ветвиться варианты реализующей его структуры – набор элементов и комбинации их соединения. У каждого набора инструментов для реализации принципа действия технологической системы будет разное время приготовления яиц, будет разная сложность, разное качество, разные вкусовые достоинства яиц и разная стоимость этого набора использованных инструментов.

Продолжим пример. Выберем из списка первый принцип действия (варить в воде).

Выберем какой-то из вариантов структуры для его реализации:

ИЭ – химическая энергия природного газа; еще есть возможность использования электроэнергии (для электроплиты) и дров (для печи).