Общая схема развития ТС

СИСТЕМА ЗАКОНОВ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ
(ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ)

3. ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА: ПОНЯТИЕ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ, СВОЙСТВА

3.1. Общее определение ТС
3.2. Функциональность
3.2.1. Цель-функция_
3.2.2. Потребность-функция_
3.2.3. Носитель функции
3.2.4. Определение функции
3.2.5. Иерархия функций
3.3. Структура
3.3.1. Определение структуры
3.3.2. Элемент структуры
3.3.3. Типы структур
3.3.4. Принципы построения структуры
3.3.5. Форма
3.3.6. Иерархическая структура систем
3.4. Организация_
3.4.1. Общее понятие
3.4.2. Связи
3.4.3. Управление
3.4.4. Факторы разрушающие организацию
3.4.5. Значение эксперимента в процессе улучшения организации
3.5. Системный эффект (качество)
3.5.1. Свойства в системе
3.5.2. Механизм образования системных свойств

3.1. Общее определение ТС

Смысл системного подхода при исследовании процессов развития в технике заключается в рассмотрении любого технического объекта как системы взаимосвязанных элементов, образующих единое целое. Линия развития представляет собой совокупность нескольких узловых точек - технических систем, резко отличающихся друг от друга (если их сравнивать только между собой); между узловыми точками лежит множество промежуточных технических решений - технических систем с небольшими изменениями по сравнению с предшествующим шагом развития. Системы как бы "перетекают" одна в другую, медленно эволюционируя, отодвигаясь все дальше от исходной системы, преображаясь иногда до неузнаваемости. Мелкие изменения накапливаются и становятся причиной крупных качественных преобразований. Чтобы познать эти закономерности, необходимо определить, что такое техническая система, из каких элементов она состоит, как возникают и функционируют связи между частями, каковы последствия от действия внешних и внутренних факторов, и т.д. Несмотря на огромное разнообразие, технические системы обладают рядом общих свойств, признаков и структурных особенностей, что позволяет считать их единой группой объектов.

Каковы основные признаки технических систем? К ним можно отнести следующие:

• системы состоят из частей, элементов, то есть имеют структуру,
• системы созданы для каких-то целей, то есть выполняют полезные функции;
• элементы (части) системы имеют связи друг с другом, соединены определенным образом, организованы в пространстве и времени;
• каждая система в целом обладает каким-то особым качеством, неравным простой сумме свойств составляющих ее элементов, иначе пропадает смысл в создании системы (цельной, функционирующей, организованной).

Поясним это простым примером. Допустим, необходимо составить фоторобот преступника. Перед свидетелем поставлена четкая цель: составить систему (фотопортрет) из отдельных частей (элементов), система предназначается для выполнения весьма полезной функции. Естественно, что части будущей системы не соединяются как попало, они должны дополнять друг друга. Поэтому идет длительный процесс подбора элементов таким образом, чтобы каждый элемент, входящий в систему, дополнял предыдущий, а вместе они увеличивали бы полезную функцию системы, то есть усиливали бы похожесть портрета на оригинал. И вдруг, в какой-то момент, происходит чудо - качественный скачок! - совпадение фоторобота с обликом преступника. Здесь элементы организованы в пространстве строго определенным образом (невозможно переставить их), взаимосвязаны, вместе дают новое качество. Даже если свидетель абсолютно точно идентифицирует по отдельности глаза, нос и т.д. с фотомоделями, то эта сумма "кусочков лица" (каждый из которых правильный!) ничего не дает - это будет простая сумма свойств элементов. Только функционально точно соединенные элементы дают главное качество системы (и оправдывают ее существование). Точно так же набор букв (например, А, Л, К, Е), соединившись только определенным образом дает новое качество (например, ЕЛКА).

ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА - это совокупность упорядоченно взаимодействующих элементов, обладающая свойствами, не сводящимися к свойствам отдельных элементов, и предназначенная для выполнения определенных полезных функций.

Таким образом, техническая система имеет 4 главных (фундаментальных) признака:

• функциональность,
• целостность (структура),
• организация,
• системное качество.

Отсутствие хотя бы одного признака не позволяет считать объект технической системой. Поясним эти признаки подробнее.

3.2. Функциональность

3.2.1. Цель - функция.

В основе любого трудового процесса, в том числе изобретательского, лежит понятие цели. Бесцельного изобретения не существует. В технических системах цель задается человеком и они предназначены для выполнения полезной функции. Уже инженер древнего Рима Витрувий утверждал: "Машина есть деревянное приспособление, которое оказывает большую помощь при поднятии тяжести". Цель - воображаемый итог, к которому стремятся, удовлетворяя потребность. Таким образом, синтез ТС - это целенаправленный процесс. Любое сегодняшнее состояние может иметь в будущем множество последствий, абсолютное большинство которых лежат в русле энтропийных процессов. Человек выбирает цель и тем самым резко повышает вероятность нужных ему событий. Целенаправленность - эволюционно приобретенный (или заданный?...) навык борьбы с энтропийными процессами.

3.2.2. Потребность - функция.

Появление цели - это результат осознания потребности. Человек отличается от других живых существ тем, что ему свойственны повышенные притязания - намного выше возможности естественных органов. Потребность (постановка задачи) - это то, что нужно иметь (сделать), а функция - реализация потребности в ТС.

Потребность может быть удовлетворена несколькими функциями; например, потребность в обмене продуктами труда - натуральный обмен, по эквивалентам, денежная система. Так же и выбранная функция может быть воплощена в нескольких реальных объектах; например, деньги - медь, золото, бумага, зубы акулы и т.д. И, наконец, любой реальный объект может быть получен (синтезирован) несколькими путями или его работа может быть основана на разных физических принципах; например, бумагу для денег можно получить различными способами, рисунок нанести краской, в виде голограммы и т.д. Таким образом, технические системы, в принципе, имеют множественные пути развития. Человек все же каким-то образом выбирает одну дорогу воплощения потребности. Критерий здесь единственный - минимум МГЭ (массы, габаритов, энергоемкости); иначе нельзя - человечество всегда было ограничено в наличных ресурсах. Хотя, дорога эта зачастую извилиста, имеет множество тупиковых ответвлений и даже петель...

3.2.3. Носитель функции.

Возникновение потребностей, осознание цели и формулирование функции - это процессы, происходящие внутри человека. Но реально действующая функция - это воздействие на предмет труда (изделие) или служение человеку. То есть, не хватает промежуточного звена - рабочего органа. Это и есть носитель функции в чистом виде. РО - единственная функционально полезная человеку часть технической системы. Все остальные части вспомогательны. ТС и возникали на первых этапах как рабочие органы (взамен органов тела и в дополнение им). И только потом, для увеличения полезной функции. к рабочему органу "пристраивались" другие части, подсистемы, вспомогательные системы. Этот процесс можно изобразить так:

Представим себе (пока умозрительно), что возможен и обратный ход - как продолжение данного.

Первая половинка процесса - развертывание техники, вторая - свертывание. То есть человеку, в общем то, нужна функция, а не ее носитель...

Для облегчения перехода от функции к ее носителю - рабочему органу будущей ТС - необходима точность в описании функции. Чем конкретнее описана функция, чем больше дополнительных условий, тем уже диапазон средств для ее реализации, тем определеннее ТС и ее структура. Мощным ограничителем вариантности служат выявленные закономерности развития рабочих органов в составе ТС.

3.2.4. Определение функции.

3.2.5. Иерархия функций.

Каждая ТС может выполнять несколько функций, из которых только одна рабочая, ради которой она и существует, остальные - вспомогательные, сопутствующие, облегчающие выполнение главной. Определение главной полезной функции (ГПФ) иногда вызывает затруднение. Это объясняется множественностью требований, предъявляемых к данной системе со стороны выше и ниже лежащих систем, а также соседних, внешних и прочих систем. Отсюда кажущаяся бесконечность определений ГПФ (принципиальная неохватность всех свойств и связей).

Пример: иерархия функций кирпича.
ГПФ-1 отдельного кирпича: держать свою форму, не разваливаться, иметь определенный вес, структуру, твердость. Требование со стороны соседних систем (других кирпичей и раствора в будущей стене): иметь прямоугольные грани, схватываться с раствором.
ГПФ-2 стены: нести себя, быть вертикальной, не деформироваться при изменении температуры, влажности, нагрузки, ограждать что-то, нести нагрузку от чего-то. Кирпич должен соответствовать части требований ГПФ 2.
ГПФ-3 дома: должен создавать определенные условия для внутренней среды, защиту от атмосферных воздействий, иметь определенный внешний вид. Кирпич должен выполнять часть и этих требований.
ГПФ-4 города: определенный архитектурный облик, климатические и национальные особенности и т.д.

Кроме того, требование и к самому кирпичу постоянно увеличивается: он не должен впитывать грунтовую влагу, должен иметь хорошие теплоизоляционные свойства, звукопоглощающие свойства, быть радиопрозрачным и т.п.

Так вот, ГПФ данной системы - это выполнение требований первой вышестоящей системы. Все остальные требования, по мере удаления иерархического уровня, от которого они исходят, оказывают все меньшее влияние на данную систему. Эти над и подсистемные требования могут быть выполнены и другими веществами и системами, не обязательно данной системой. Например, свойство прочности кирпича может быть достигнуто различными добавками в исходную массу, а свойство эстетичности приклеиванием декоративной плитки на готовую стенку; для ГПФ кирпича (выполнять "требования" стены) это безразлично.

То есть, ГПФ элемента определяется системой, в которую он включается. Тот же кирпич может быть включен во множество других систем, где его ГПФ будет совершенно непохожей (а то и противоположной) приведенной выше.

Пример. Определить ГПФ калорифера.

• Для чего калорифер? - нагревать воздух в доме.
• Для чего надо нагревать воздух? - чтобы его температура не упала ниже допустимой величины.
• Почему нежелательно падение температуры? - чтобы обеспечить комфортные условия для человека.
• Для чего нужны комфортные условия человеку? - чтобы уменьшить риск заболеть, и т.д.

Это путь вверх по иерархии целей - в надсистему. Называемая на каждом этаже функция (цель) может быть выполнена и другой ТС. Калорифер входит в систему: "дом-воздух-человек-калорифер" и выполняет ее "требования".

Можно спуститься вниз по иерархии:

• что нагревает воздух? - тепловое поле;
• что производит тепловое поле? - нагревательная спираль;
• что действует на спираль для получения тепла? - электрический ток;
• что подводит электрический ток к спирали? - провода, и т. д.

Итак," требование" НС для калорифера - нагревать воздух. А что делает калорифер (его рабочий орган - спираль)? - производит тепло, тепловое поле. Вот это и есть ГПФ калорифера - производство тепла, как "ответ" на "требование" надсистемы. Здесь тепловое поле - изделие "выпускаемое" технической системой "калорифер". ГПФ надсистемы - обеспечение комфортных условий для человека.

3.3. Структура

3.3.1. Определение структуры.

Совокупность (целостность) элементов и свойств неотъемлемый признак системы. Соединение элементов в единое целое нужно для получения (образования, синтеза) полезной функции, т.е. для достижения поставленной цели.

Если определение функции (цели) системы в какой-то мере зависит от человека, то структура - наиболее объективный признак системы, она зависит только от вида и материального состава используемых в ТС элементов, а также от общих законов мира, диктующих определенные способы соединения, виды связи и режимы функционирования элементов в структуре. В этом смысле структура это способ взаимного соединения элементов в системе. Составление структуры - это программирование системы, задание поведения ТС с целью получения в результате полезной функции. Требуемая функция и выбранный физический принцип ее осуществления однозначно задают структуру.

Структура - это совокупность элементов и связей между ними, которые определяются физическим принципом осуществления требуемой полезной функции.

Структура остается неизменной в процессе функционирования, то есть при изменении состояния, поведения, совершения операций и любых других действий.

Главное в структуре: элементы, связи, неизменность во времени.

3.3.2. Элемент структуры.

Элемент, система - относительные понятия, любая система может стать элементом системы более высокого ранга, также и любой элемент можно представить как систему элементов более низкого ранга. Например, болт (винт + гайка) - элемент двигателя, который в свою очередь является структурной единицей (элементом) в системе автомобиля и т.д. Винт состоит из зон (геометрических тел), таких как головка, цилиндр, резьба, фаска; материал болта - сталь (система), состоящая из элементов железа, углерода, легирующих добавок, которые в свою очередь состоят из молекулярных образований (зерен, кристаллов), еще ниже - атомы, элементарные частицы.

Элемент - относительно целая часть системы, обладающая некоторыми свойствами неисчезающими при отделении от системы. Однако в системе свойства элемента не равны свойствам отдельно взятого элемента.

Сумма свойств элемента в системе может быть больше или меньше суммы его свойств вне системы. Иначе говоря, часть свойств элемента, включаемого в систему, гасится или к элементу добавляются новые свойства. В подавляющем большинстве случаев часть свойств элемента нейтрализуется в системе, как бы исчезает; в зависимости от величины этой части говорят о степени потери индивидуальности элемента включенного в систему.
Система обладает частью свойств элементов ее составляющих, но ни один элемент бывшей системы не обладает свойством всей системы (системным эффектом, качеством). Когда песок перестает быть песком? - на ближайшем верхнем или нижнем "этаже": песок - пыль - молекулы - атомы -...; песок - камень - скала...; здесь "песчаные" свойства частично сохраняются при движении вверх и сразу исчезают при движении вниз по "этажам".

Элемент - минимальная единица системы, способная к выполнению некоторой элементарной функции. Все технические системы начинались с одного элемента, предназначенного для выполнения одной элементарной функции. С увеличением ГПФ начинается увеличение (усиление) каких-то свойств элемента. Затем идет дифференциация элемента, то есть разделение элемента на зоны с разными свойствами. Из моноструктуры элемента (камень, палка) начинают выделяться другие элементы. Например, при превращении каменного резца в нож выделились рабочая зона и зона ручки, а затем усиление специфических свойств каждой зоны потребовало применение разных материалов (составные инструменты). Из рабочего органа выделилась и развилась трансмиссия. Затем к РО и Тр добавляются Двигатель, Орган управления, Источник энергии. Система разрастается за счет усложнения своих элементов, добавляются вспомогательные подсистемы... Система становится высокоспециализированной. Но наступает момент развития, когда система начинает принимать на себя функции соседних систем, не увеличивая количество своих элементов. Система становится все более универсальной при неизменном, а затем и сокращающемся количестве элементов.

3.3.3. Типы структур.

Выделим несколько наиболее характерных для техники структур:

1). Корпускулярная.
Состоит из одинаковых элементов, слабосвязанных между собой; исчезновение части элементов почти не отражается на функции системы. Примеры: эскадра кораблей, песчаный фильтр.

2). "Кирпичная".
Состоит из одинаковых жестко связанных между собой элементов. Примеры: стена, арка, мост.

3). Цепная.
Состоит из однотипных шарнирносвязанных элементов. Примеры: гусеница, поезд.

4). Сетевая.
Состоит из разнотипных элементов, связанных между собой непосредственно, или транзитом через другие, или через центральный (узловой) элемент (звездная структура). Примеры: телефонная сеть, телевидение, библиотека, система теплоснабжения.

5). Многосвязная.
Включает множество перекрестных связей в сетевой модели.

6). Иерархическая.
Состоит из разнородных элементов, каждый из которых является составным элементом системы более высокого ранга и имеет связи по "горизонтали" (с элементами одного уровня) и по "вертикали" (с элементами разных уровней). Примеры: станок, автомобиль, винтовка.

По типу развития во времени структуры бывают:

1. Развертывающиеся. с течением времени при увеличении ГПФ растет количество элементов.
2. Свертывающиеся. с течением времени при росте или неизменном значении ГПФ количество элементов уменьшается.
3. Редуцирующие. в какой-то момент времени начинается уменьшение количества элементов при одновременном уменьшении ГПФ.
4. Деградирующие. уменьшение ГПФ при уменьшении связей, мощности, эффективности.

3.3.4. Принципы построения структуры.

Главный ориентир в процессе синтеза системы - получение будущего системного свойства (эффекта, качества). Важное место в этом процессе занимает этап подбора (построения) структуры.

"Формула" системы:

Для одной и той же системы можно подобрать несколько различных структур в зависимости от выбранного физического принципа воплощения ГПФ. Выбор физического принципа должен основываться на минимизации М, Г, Э (массы, габаритов, энергоемкости) при сохранении эффективности.

Формирование структуры - основа синтеза системы.
Некоторые принципы формирования структуры:

• принцип функциональности,
• принцип причинности,
• принцип полноты частей,
• принцип дополнительности.

Принцип функциональности отражает примат функции над структурой. Структура обуславливается предыдущим выбором:

Выбор принципа действия однозначно определяет структуру, поэтому их надо рассматривать вместе. Принцип действия (структура) - это отражение цели-функции. По выбранному принципу действия следует составить функциональную схему (возможно в вепольной форме).

Функциональная схема строится по принципу причинности, так как любая ТС подчиняется этому принципу. Функционирование ТС это цепочка действий-событий.

Каждое событие в ТС имеет одну (или несколько) причин и само является причиной последующих событий. Все начинается с причины, поэтому важный момент - обеспечение "запуска" (включения) причины. Для этого необходимо наличие следующих условий:

• обеспечить внешние условия, не препятствующие проявлению действия,
• обеспечить внутренние условия, при которых осуществляется событие (действие),
• обеспечить извне повод, толчок, "искру" для "запуска" действия.

Главный смысл в выборе принципа действия - лучшее осуществление принципа причинности.

Надежный способ выстраивания цепочки действий - от конечного события к начальному; конечное событие - это действие, полученное на рабочем органе, то есть осуществление функции ТС.

Главное требование к структуре - минимальные потери энергии и однозначность действия (исключение ошибки), то есть хорошая энергетическая проводимость и надежность причинно-следственной цепочки.

При решении изобретательских задач, после формулировки ФП (физического противоречия) возникают затруднения при переходе к физическому принципу. Возможно здесь поможет принцип причинности. ФП - это заказ, конечное действие, от него требуется выстроить цепочку причин-следствий до физэффекта.

Принцип полноты частей (закон полноты частей системы) может быть взят за основу при первом построении функциональной схемы. Возможна следующая последовательность шагов:

1. Формулируется ГПФ.
2. Определяется физический принцип действия рабочего органа на изделие.
3. Отбирается или синтезируется РО.
4. К рабочему органу "пристраиваются" трансмиссия, двигатель, источник энергии, орган управления.
5. Строится в первом приближении функциональная схема:

6. Выявляются недостатки и возможные сбои в схеме. Разрабатываются более подробные схемы, с учетом иерархии подсистем. Подсистемы недостаточно хорошо выполняющие функции достраиваются новыми элементами.

Это обычный путь развертывания ТС, увеличение ГПФ за счет добавления новых полезнофункциональных подсистем.

Некоторое увеличение ГПФ возможно за счет уменьшения вредных связей и эффектов в подсистемах (без их усложнения).

Наиболее радикальный путь - идеализация ТС.

Принцип дополнительности заключается в особом способе соединения элементов при включении их в систему. Элементы должны быть не только согласованы по форме и свойствам (для того, чтобы иметь принципиальную возможность взаимного соединения), но и дополнять друг друга, взаимно усиливаться, складывать полезные свойства и взаимно нейтрализовать вредные. Это основной механизм возникновения системного эффекта (качества).

3.3.5. Форма.

Форма - это внешнее проявление структуры ТС, а структура - внутреннее содержание формы. Эти два понятия тесно взаимосвязаны. В технической системе может преобладать одно из них и диктовать условия воплощения другой (например, форма крыла самолета обуславливает его структуру). Логика построения структуры в основном определяется внутренними принципами и функциями системы. Форма в большинстве случаев зависит от требований надсистемы.

Основные требования к форме:

• функциональные (форма резьбы и т.п.),
• эргономические (рукоять инструмента, сиденье водителя и т. п.),
• технологические (простота и удобство изготовления, обработки, транспортировки),
• эксплуатационные (срок службы, прочность, стойкость, удобство ремонта),
• эстетические (дизайн, красота, "приятность", "теплота"...).

3.3.6. Иерархическая структура систем.

Иерархический принцип организации структуры возможен только в многоуровневых системах (это большой класс современных технических систем) и заключается в упорядочении взаимодействий между уровнями в порядке от высшего к нижнему. Каждый уровень выступает как управляющий по отношению ко всем нижележащим и как управляемый, подчиненный, по отношению к вышележащему. Каждый уровень специализируется также на выполнении определенной функции (ГПФ уровня). Абсолютно жестких иерархий не бывает, часть систем нижних уровней обладает меньшей или большей автономией по отношению к вышележащим уровням. В пределах уровня отношения элементов равны между собой, взаимно дополняют друг друга, им присущи черты самоорганизации (закладываются при формировании структуры).

Возникновение и развитие иерархических структур не случайно, так как это единственный путь увеличения эффективности, надежности и устойчивости в системах средней и высокой сложности.

В простых системах иерархия не требуется, так как взаимодействие осуществляется по непосредственным связям между элементами. В сложных системах непосредственные взаимодействия между всеми элементами невозможны (требуется слишком много связей), поэтому непосредственные контакты сохраняются лишь между элементами одного уровня, а связи между уровнями резко сокращаются.

Типичный вид иерархической системы:

В табл. 1 приведены названия иерархических уровней в технике (Альтшуллер Г.С. в кн.: Дерзкие формулы творчества. Петрозаводск, "Карелия", 1987, с. 17-18).

Таблица 1

Уровень (ранг ТС)	Название системы	Пример	Аналог в природе
1	Техносфера	Техника + люди + ресурсы + система потребления	Биосфера
2	Техника	Вся техника (все отрасли)	Фауна
3	Отрасль техники	Транспорт (все виды)	Тип
4	Объединение	Аэрофлот, автотранспорт, ж\д транспорт	Класс
5	Предприятие	Завод, метро, аэропорт	Организм
6	Агрегат	Локомотив, вагоны, рельсовый путь	Органы тела: сердце, легкие и т.д.
7	Машина	Локомотив, автомобиль, самолет	Клетка
8	Неоднородный механизм (совокупность узлов, позволяющая осуществлять перевод энергии и вещества из одного вида в другой)	Электростатический генератор, двигатель внутреннего сгорания	Молекулы ДНК, РНК, АФТ
9	Однородный механизм (совокупность узлов, позволяющая энергию и вещества не меняя их вида)	Винтовой домкрат, тележка, парусное оснащение, часы, трансформатор, бинокль	Молекула гемоглобина способная транспортировать кислород
10	Узел	Ось и два колеса (появляется новое свойство — способность качения)	Сложные молекулы, полимеры
11	Пара деталей	Винт и гайка, ось и колесо	Молекула, образованная разными радикалами, например: С2Н5-С=О | О-Н
12	Неоднородная деталь (при разделении образует неодинаковые части)	Винт, гвоздь	Несимметричная углеродная цепь: -С-С-С-С-С-С- | С
13	Однородная деталь (при разделении образует одинаковые части)	Проволока, ось, балка	Углеродная цепь: -С-С-С-С-С-С-
14	Неоднородное вещество	Сталь	Смеси, растворы (морская вода, воздух)
15	Однородное вещество	Химически чистое железо	Простое вещество (кислород, азот)

Основные свойства иерархических систем.

1) Двойственность качеств элементов в системе - элемент одновременно обладает индивидуальными и системными качествами.

Входя в систему элемент теряет свое исходное качество. Системное качество как бы забивает проявление собственных качеств элементов. Но полностью это не происходит никогда. Химические соединения имеют системные физико-химические свойства, но также и сохраняют свойства входящих в них элементов. На этом основаны все методы анализа состава соединений (спектральный, ЯМ, рентгеновский и т. д.). Чем сложнее иерархическая структура (организация) системы, тем выше ее индивидуальные качества, тем четче они выступают в надсистеме, тем менее она связана с другими элементами (системами) надсистемы. На более низких уровнях происходит упрощение элементов (системам не нужны "сложные" вещи, нужна простая полезная функция). В результате этого вещи утрачивают свою самобытность, конкретную индивидуальность, становятся безразличными к своей вещественной индивидуальной форме.

Утрата индивидуальности - это цена, "заплаченная" элементами за приобретенную ими способность выражать отдельные стороны системных связей в иерархии. (Как в обществе: человек на производстве не субъект, не неповторимая индивидуальность, не творец своих обстоятельств, он функция, объект, вещь).

Это свойство иерархических систем является причиной распространенного вида психинерции изобретателя: он видит одно (главное, системное) свойство элемента и не видит множества его прежних индивидуальных свойств.

2) Диктат верхних уровней над нижними - основной порядок иерархии (аналог в обществе: единоначалие, авторитарное руководство).

Самый нижний уровень иерархии - рабочий орган или его рабочая часть, зона, поверхность (в каждой подсистеме свой рабочий орган). Поэтому все управляющие воздействия (сигналы) и энергия обязательно доходят до рабочего органа, заставляя его функционировать строго определенным образом. В этом смысле РО самый подчиненный элемент системы. Напомним, что его роль при синтезе ТС прямо противоположна: он диктует структуру для выполнения ГПФ.

Часто диктат верхних уровней простирается еще ниже рабочего органа; что находится ниже РО? - изделие. Технические системы ("для своего удобства") диктуют какие должны быть изделия. Это "стремление" техники изменить окружающую среду "под себя" ошибочно, оно свойственно лишь современной, во многом неуклюжей и грубой, техники. Особенно четко видно несоответствие (несогласованность) технических систем ("правильных", "стандартных") с природными объектами ("неправильными"), с ремесленно-художественными изделиями человека.

Примеры.

Главная полезная функция железнодорожного транспорта - объем перевозок. Поэтому во многих странах ведутся исследования по выведению квадратных помидоров (Болгария), арбузов (Япония), картофеля, моркови, свеклы, огурцов и ананасов ("Знание - сила", 1983, № 12, с. 32). Кубические овощи и фруктов легче упаковывать и перевозить.

В США выпускается яичная "колбаса". Яйца разбиваются, центрифугированием отделяют белок от желтка, формируют при замораживании "колбасу" (в центре желток), если нужна яичница - отрезай ломтик. С точки зрения повышения ГПФ (транспортировки яиц) задача решена.

А.с. 1 132 905: (БИ, 1985, № 1). Способ подготовки картофеля, овощей и плодов к тепловой обработке (рис. 8): картофель режут, сдвигают и срезают кожуру снизу; затем поворачивают на 180 град., выравнивают и срезают снизу, и т.д. до тех пор, пока не очистят всю картофелину.

Из французского юмора ("Изобретатель и рационализатор", 1984, № 8, 3 с. обложки): "Хочу предложить вашей фирме свое последнее изобретение. Это автомат для бритья. Клиент опускает несколько монет, просовывает голову в отверстие и две бритвы автоматически начинают брить его.
- Но ведь у каждого человека индивидуальное строение лица...- В первый раз - да!"

3). Нечувствительность верхних этажей к изменениям на нижних и наоборот, чувствительность нижних к изменениям на верхних.

Изменения на уровнях веществ и подсистем низшего ранга не отражаются на системном свойстве (качестве) ТС-НС высших рангов. Пример.
Принцип телевидения был воплощен уже в первых механических системах. Новое системное свойство (передача изображения на расстояние) принципиально не изменилось при переходе на ламповые, транзисторные, микромодульные элементы. Увеличивалась ГПФ, но системное свойство принципиально не менялось. Главное для надсистемы - выполнение подсистемами своих функций, а на каких материалах и физических принципах - безразлично. Это положение имеет важное следствие для изобретательства. Допустим, возникла задача обеспечения эффективного теплоотвода от работающего трансформатора в ламповом телевизоре (потребляемая мощность 400 Вт). Изобретатель может долго и различными путями искать способ теплоотвода, придумывать новые подсистемы, увеличивать установочную мощность трансформатора для снижения температуры нагрева и т.д. Однако, если подняться на этаж выше (блок питания), то задача может быть решена совершенно иным способом (например, импульсный режим питания), а при изменении на верхнем этаже (например, замена ламповой схемы на транзисторную) может вообще исключить эту задачу - в ней просто отпадет необходимость (мощность снизится, допустим, до 100 Вт).

4). Отфильтровывание (выделение) полезных функций на уровнях иерархии. Правильно организованная иерархическая структура выделяет на каждом этаже полезную функцию, эти функции складываются (взаимоусиливаются) на следующем этаже; при этом вредные функции на каждом этаже подавляются или, по крайней мере, к ним не добавляются новые.

Основной вклад в ГПФ образуется на нижних этажах, начиная с рабочего органа. На последующих уровнях происходит более или менее существенное дополнение (усиление) полезной функции. С увеличением количества этажей рост ГПФ замедляется, поэтому системы с большим количеством иерархических уровней неэффективны (расходы по МГЭ начинают превышать выигрыш в ГПФ). Самый верхний уровень иерархии выполняет обычно только согласовательные функции, таких уровней не должно быть больше одного.

Чем выше уровень иерархии, тем мягче структура, менее жесткие связи между элементами, легче переставлять их и заменять. На нижних уровнях более жесткая иерархия и связи; структура строго определена требованием выполнения ГПФ. Нельзя, например, поставить в тепловой трубе фитиль снаружи корпуса, параметры работы фитиля и его структура жестко заданы; на верхних же этажах, где функция - перераспределение теплоты, рециркуляция, регулирование и пр., возможны самые радикальные перестановки.

3.4. Организация

3.4.1. Общее понятие.

Задача ТРТС - раскрытие закономерности синтеза, функционирования и развития технических систем. Организация - важнейший элемент во всех трех периодах существования системы. Организация возникает одновременно со структурой. В сущности, организация это алгоритм совместного функционирования элементов системы в пространстве и времени.

Французский биолог 18 в. Бонне писал: "Все части, составляющие тело, настолько непосредственно многоразлично и многообразно связаны друг с другом в области своих функций, что они неотделимы друг от друга, что родство их предельно тесно и что они должны были появиться одновременно. Артерии предполагают наличие вен; функции как тех, так и других предполагают наличие нервов; эти предполагают в свою очередь наличие мозга, а последний - наличие сердца; каждое отдельное условие - целый ряд условий" (Гнеденко Б.В. и др. За советом в природу. М.: Знание, 1977, с. 45).

Организация возникает, когда между элементами возникают объективно закономерные, согласованные, устойчивые во времени связи (отношения); при этом одни свойства (качества) элемента выдвигаются на первый план (работают, реализуются, усиливаются), а другие ограничиваются, гасятся, маскируются. Полезные свойства трансформируются в процессе работы в функции - действия, поведение.

Главное условие возникновения организации - связи между элементами и/или их свойствами должны превышать по мощности (силе) связи с несистемными элементами.

С возникновением организации снижается энтропия в возникшей системе по сравнению с внешней средой. Внешняя среда для ТС - это чаще всего другие технические системы. Так что энтропия - это ненужная для данной ГПФ (потребности) организация ("чужая" организация).

Степень организованности отражает степень предсказуемости поведения системы при осуществлении ГПФ. Абсолютная предсказуемость невозможна, или возможна только для неработающих ("мертвых") систем. Полная непредсказуемость - когда системы нет, дезорганизация. Сложность организации характеризуется числом и разнообразием элементов, числом и разнообразием связей, числом уровней иерархии.

Сложность организации возрастает при развертывании ТС и уменьшается при свертывании организация, как бы, "загоняется" внутрь вещества. При развертывании на полезно-функциональных подсистемах, отрабатываются принципы организации (условия взаимодействия, связи и функции), затем организация переходит на микроуровень (функция подсистемы выполняется веществом).

3.4.2. Связи.

Связь - это отношение между элементами системы.

Связь - реальный физический (вещественный или полевой) канал для передачи Э (энергии), В (вещества), И (информации); причем информации нематериальной не бывает, это всегда Э или В.

Главное условие работы связи - "разность потенциалов" между элементами, то есть градиент поля или вещества (отклонение от термодинамического равновесия - принцип Онзагера). При градиенте возникает движущая сила, вызывающая поток Э или В:

• градиент температуры - поток теплоты (теплопроводность),
• градиент концентрации - поток вещества (диффузия),
• градиент скорости - поток импульса,
• градиент электрического поля - электрический ток,

Часто в изобретательских задачах требуется организовать поток при градиенте "не своего" поля. Например, поток вещества (нитиноловых пустотелых шариков) при градиенте температуры - в задаче о выравнивании температуры по глубине бассейна. Основные характеристики связи: физическое наполнение и мощность. Физическое наполнение - это вид вещества или поля, используемого в связи. Мощность - интенсивность потока В или Э. Мощность связи должна быть больше мощности внесистемных связей, выше пороговой - уровня шума внешней среды.

Связи в системе могут быть:

• функционально необходимые - для выполнения ГПФ,
• вспомогательные - увеличивающие надежность,
• вредные, лишние, избыточные.

По типу соединения связи бывают: линейные, кольцевые, звездные, транзитные, разветвленные и смешанные.

Основные виды связей в технических системах:

	1. Элементарные
	а) односторонняя (полупроводниковая),
	б) рефлексивная (возникающая под действием внешней причины),
	в) селективная (отсеивающая ненужные потоки),
	г) запаздывающая (с задержкой по времени),
	д) положительная (увеличивающая мощность при увеличении "разности потенциалов"),
	е) отрицательная(уменьшающая мощность при увеличении "разности потенциалов"),
	ж) нейтральная (безразличная к направлению),
	з) нулевая,
	и) проектируемая (желаемая).
	2. Комбинированные.
	л) двусторонняя (полностью проводящая),
	м) контрсвязь (пропорционально зависимая от состояния элементов, между которыми осуществляется связь; например, полюса магнита или потенциалы источника тока),
	н) положительная обратная связь. (при увеличении мощности одной связи увеличивается мощность другой), механизм взаимной стимуляции функций, ведет к нарастанию процессов;
	о) отрицательная обратная связь. (при увеличении мощности одной связи уменьшается мощность другой), стабилизирующий механизм, ведет к устойчивому равновесию или к колебаниям вокруг точки равновесия,
	п) двойная отрицательная обратная связь, или обратная связь типа взаимного угнетения (при уменьшении мощности одной связи уменьшается также мощность другой), ведет к неустойчивому равновесию, кончающемуся усилением одной из сторон и подавлением другой.

При использовании комбинированных связей у системы появляются новые свойства. Рассмотрим, например, систему из двух элементов с отрицательной обратной связью:

При увеличении потенциала А мощность положительной связи 1 возрастает, что приводит к увеличению потенциала Б. Но отрицательная связь 2 подавляет потенциал А. Система быстро приходит в состояние устойчивого равновесия. При обрыве связи 1 потенциал А увеличивается без подавления со стороны Б. При обрыве связи 2 потенциал А увеличивается и одновременно увеличивается потенциал Б (положительная связь).

В системе из трех элементов появляется еще более сильное качество.

При увеличении потенциала А, увеличивается Б, но по связи 4 подавляется А; по связи 2 увеличивается В, но по связи 5 уменьшается Б, а по связи 6 уменьшается В и т.д. То есть, вывод любого элемента из состояния равновесия быстро взаимно подавляется.

При обрыве любой связи, взаимное подавление также происходит быстро по другим связям. То же при обрыве двух связей.

В системе создается устойчивое равновесие, при котором состояние элемента может быть лишь незначительно сдвинуто от равновесия.

Здесь приведен пример с одинаковой комбинированной связью (отрицательной). Другие, еще более необычные, эффекты возникают в системах с разнородными связями, с большим количеством элементов, с появлением перекрестных связей (начиная с диагональной в квадрате). Необходима разработка по "наложению" этих типов связей на вепанализ.

Увеличение степени организации системы прямо зависит от числа связей между элементами. Развитость связей - это раскрытие веполей (увеличение степени вепольности). Как увеличить количество связей в веполе? Двумя путями:

1. включение элементов системы в связи с надсистемами,
2. задействование более низких уровней организации подсистемы или вещества.

При увеличении числа связей на один элемент, увеличивается количество полезно работающих свойств элементов.

3.4.3. Управление.

Одно из важных свойств организации - возможность управления, то есть изменения или поддержания состояния элементов в процессе функционирования системы. Управление идет по специальным связям и представляет собой последовательность команд во времени. Управление по отклонению величины является наиболее распространенным и достоверным способом.

3.4.4. Факторы разрушающие организацию.

К таким факторам относятся три группы вредных воздействий:

• внешние (надсистема, природа, человек),
• внутренние (форсирование или случайное взаимоусиление вредных свойств),
• энтропийные (саморазрушение элементов из-за конечности срока жизни).

Внешние факторы разрушают связи, если их мощность превышает мощность внутрисистемных связей.

Внутренние факторы изначально есть в системе, но с течением времени из-за нарушений в структуре их количество увеличивается.

Примеры энтропийных факторов: износ частей (вынос из системы части вещества), перерождение связей (усталость пружин, ржавчина).

3.4.5. Значение эксперимента в процессе улучшения организации.

Эксперимент - это научно поставленный опыт с целью определения "больного" места в ТС при попытке увеличения ГПФ. Смысл эксперимента: активное вмешательство в функционирование ТС, создание специальных условий, обстановки (изменение факторов внешней среды) и наблюдение за поведением (результатом) с помощью специальных методов и средств.

Наиболее продуктивен натурный эксперимент, он подходит для подавляющего большинства ТС (кроме крупных и опасных АЭС и т.д.).

Модельный эксперимент приемлем и достоверен лишь для простых систем с хорошо прогнозируемым поведением.

Только натурный эксперимент может дать важнейший побочный продукт неожиданные результаты, часто приносящие новые знания.

Например, в испытательном полете одного из беспилотных спутников, при отработке вспомогательных двигателей для торможения, спутник неожиданно перешел на другую орбиту и его так и не удалось вернуть на Землю. "Помнится, специалисты были очень огорчены. А С.П. Королев увидел тогда в незапланированном переходе корабля с одной орбиты на другую первый опыт маневрирования в космосе.
- А спускаться на Землю, - сказал помошникам главный конструктор, - корабли когда надо и куда надо, у нас будут. Как миленькие будут! В следующий раз посадим обязательно.
С того времени "как миленькие" возвратились на Землю многие космические аппараты самого различного научного и народнохозяйственного назначения" (Покровский Б. Заре навстречу. Правда, 1980, 12 июня).

3.5. Системный эффект (качество)

3.5.1. Свойства в системе.

Все элементы в системе и сама система в целом обладают рядом свойств:

1. Структурно-вещественные: свойства вещества, определяемые его составом, видом компонентов, физическими особенностями (вода, воздух, сталь, бетон).
2. Структурно-полевые: например, вес является неотъемлемым свойством любого элемента, магнитные свойства, цвет.
3. Функциональные: специализированные свойства, которые могут быть получены из разных вещественно-полевых сочетаний, лишь бы они обладали требуемой функцией; например, теплоизоляционные маты.
4. Системные: совокупные (интегральные) свойства; в отличие от свойств 1-3 они не равны свойствам элементов, входящих в систему; эти свойства "вдруг" возникают при образовании системы; такая неожиданная прибавка - главный выигрыш при синтезе новой ТС.

Правильнее различать два вида системных прибавок:

• системный эффект - непропорционально большое усиление (уменьшение) свойств, имеющихся у элементов,
• системное качество - появление нового свойства (надсвойства - вектора имеющихся свойств), которого не было ни у одного из элементов до включения их в систему.

Эту особенность в развитии объективной реальности заметили еще древние мыслители. Например, Аристотель утверждал, что целое всегда больше суммы входящих в него частей. Богданов А.А. сформулировал этот тезис для систем: система обнаруживает некий прирост качеств, по сравнению с исходными дает некое сверхкачество (1912г.).

Чтобы точнее определить системный эффект (качество) данной ТС можно воспользоваться простым приемом: надо разделить систему на составные элементы и посмотреть, какое качество (какой эффект) исчезло. Например, отдельно ни одна из самолетных частей летать не может, как не может выполнить свою функцию и "усеченная" система самолет без крыла, оперения или управления. Это, кстати, убедительный способ доказательства, что все объекты в мире - системы: разделите уголь, сахар, иголку, - на каком этапе деления они перестают быть самими собой, теряют главные признаки? Все они отличаются друг от друга лишь продолжительностью процесса деления - иголка перестает быть иголкой при делении на две части, уголь и сахар - при делении до атома. По-видимому, так называемый диалектический закон перехода количественных изменений в качественные отражает лишь содержательную сторону более общего закона - закона образования системного эффекта (качества).

Пример появления системного эффекта.

Для доочистки сточных вод гидролизного завода испытывались два способа - озонирование и адсорбция; ни один из способов не давал нужного результата. Комбинированный способ дал поразительный эффект. Были достигнуты требуемые показатели при снижении в 2-5 раз расхода озона и активного угля по сравнению только с сорбцией или только с озонированием (Э.И. ВНИИИС Госстроя СССР, серия 8, 1987, вып. 8, с.11-15).

В физике (физических эффектах и явлениях) содержится множество примеров появления системных свойств. Например, электромагнитное поле обладает свойством распространения в пространстве на неограниченное расстояние и свойством самосохранения - этими свойствами не обладают электрическое и магнитное поля по отдельности.

Собственно говоря, все естественные науки занимаются ничем иным, как изучением системных законов соединения частей в целое и законов существования и развития этого целого. Накоплены огромные знания, раскрывающие конкретные механизмы появления сверхкачеств (системных эффектов) в живой и неживой природе - в химии, физике, биологии, геологии, астрономии и т.д. Но до сих пор нет обобщений - общесистемных законов.

3.5.2. Механизм образования системных свойств.

Вот простой "механический" пример появления системного свойства: допустим вам требуется быстро пересечь площадь, заполненную толпой людей; ясно, что вы потратите уйму сил и времени на преодоление "трения о толпу". Теперь представьте, что толпа по команде образовала какую-либо упорядоченную структуру (например, выстроилась рядами), тогда сопротивление бегущему между рядов практически исчезнет.

А.Богданов рассуждает следующим образом: "Наиболее типичный пример - интерференция волн: если волны совпадают, то две вибрации дают четверную силу, если не совпадают, то свет + свет дает теплоту. Средний случай: подъем одной волны совпадет наполовину с подъемом и наполовину с понижением - в результате простое сложение, сумма слагаемых: сила света двойная. От способа сочетания (связи, соединения) зависит увеличение-уменьшение суммы свойств системы" (Всеобщая организационная наука. (Тектология), т.2. Механизм расхождения и дезорганизации. Товарищество "Книгоиздательство писателей в Москве", М., типогр. Я.Г.Сазонова, 1917, с.11).

Еще один пример: скорость звука в жидкости, например в воде, составляет около 1500 м/сек, в газе (воздухе) 340 м/сек; а в газо-водяной смеси (5 % объемных пузырьков газа) скорость падает до 30-100 м/сек.

Любой элемент обладает многими свойствами. Одни из этих свойств при формировании связей подавляются, другие, напротив, приобретают отчетливое выражение; или: одни свойства складываются, другие нейтрализуются. Возможны три случая возникновения системного эффекта (качества):

• положительные свойства складываются, взаимоусиливаются, отрицательные остаются неизменными (цепь, пружина);
• положительные свойства складываются, а отрицательные взаимно уничтожаются (два солдата, прижавшись спинами, образуют круговую оборону, вредные "спинные" свойства исчезли);
• к сумме положительных свойств добавляются обращенные отрицательные свойства (вред, обращенный в пользу).