ИДЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

© Ю.П.Саламатов, Красноярск, 2000
Охраняется законом РФ об авторском праве. Воспроизведение рукописи или любой ее части запрещается без письменного разрешения авторов.

ПРИЛОЖЕНИЯ

ГЛАВА 2. ЭВОЛЮЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ: АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ РАЗВИТИЯ ТС "ТЕПЛОВАЯ ТРУБА", ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИДЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

2.1. ВИДЫ ИДЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

Развитие технических систем подчиняется объективным законам. Наиболее общим является закон увеличения степени идеальности ТС (идеальная ТС - когда системы нет, а ее функции выполняются) [1].

При этом под идеализацией ТС понимается увеличение количества функций, мощности, производительности и т.д., приходящихся на единицу площади, объема, веса системы.

Как было показано в предыдущей главе определение идеальной ТС может быть отнесено к системе, функции которой выполняются идеальным веществом, поглотившим подсистемы ТС.

Реальная же ТС состоит из конкретного вещества, деталей, подсистем, которые имеют определенные геометрические, физические и химические свойства на разных иерархических уровнях. Наличие этих свойств дает потенциальную возможность превращать, в принципе, любую ТС в многофункциональную идеальную ТС, в которой будут задействованы все свойства вещества ТС.

В данной работе сделана попытка выявить некоторые особенности механизма идеализации технических систем в процессе их развития.

В ТРИЗ принято различать два вида систем [1], различающихся способами увеличения степени идеальности.

В системах 1-го вида (S₁) масса (М), габариты (Г) и энергоемкость (Э) имеют конечную величину, а количество выполняемых функций неограниченно увеличивается. Формально эта зависимость может быть выражена по предложению Г.С.Альтшуллера формулой:

Схематично эта зависимость изображена на рис. 62.

Этот вид идеальной технической системы (ИТС) интересен тем, что в ней максимально задействованы свойства ее элементов и веществ, а все лишние элементы, вещества и свойства вытеснены из системы - вместо них введены вещества или подсистемы, увеличивающие главную полезную функцию (ГПФ) или количество выполняемых функций.

Например, тепловая труба (ТТ-28) выполненная в виде лопатки центробежного насоса: тепловые трубы выполняют роль лопаток и регулируют расход воды путем изменения угла наклона лопаток.

Или ТТ-51: КПМ выполнен в виде геттеров, которые очищают теплоноситель и осуществляют непосредственно свою функцию - транспорт жидкого теплоносителя к зоне испарения. В системе 2-го вида (S₂) масса, габариты и энергоемкость стремятся к нулю, а количество выполняемых функций не изменяется.

Это наиболее распространенный вид ИТС (рис. 62). Система в процессе своего развития максимально избавляется от лишних подсистем и веществ, не несущих полезной нагрузки при осуществлении ГПФ.

Например, ТТ-41, ТТ-45, ТТ-26, ТТ-60 и др.

Наиболее общим видом ИТС является та, в которой масса, габариты и энергоемкость стремятся к нулю, а количество выполняемых функций возрастает (рис. 62), т.е. системой задействованы все основные и вспомогательные свойства ее элементов и веществ, в целом увеличивающие ГПФ системы.

К этому типу относятся и универсальные ТС.

И, если 2-й вид идеализации ТС ведет к специализации ТС, то общий - к универсализации.

ИТС общего вида, как правило состоит из ИТС 2-го вида, ВПФ-совместимых и направленных на выполнение ГПФ ТС.

Особенно это наглядно можно проследить в развитии микроэлектронных приборов: диод - транзистор - тиристор-...- микросхема -... - кристалл. Микросхема, например, включает в себя огромное количество транзисторов.

По патенту Великобритании 1361505 тепловая труба, служащая для охлаждения полупроводниковых приборов, лишена одной из стенок. При дальнейшем развитии ТТ органически войдет в полупроводниковый прибор в качестве его подсистемы.

Тот факт, что тепловая труба передает мощность 20 кВт/см² (т.е. почти предельную для современной техники удельную нагрузку) говорит о том, что ТТ - это ИТС, в которой уже произведена идеализация специализированных зон, подсистем и рабочего тела по выполняемым функциям.

Формально ИТС общего вида может быть записана так.

К ИДЕАЛИЗАЦИИ ТС

1. Идеальная ТС I-го вида - I (S₁)

2. Идеальная ТС II-го вида - I (S₂)

3. Идеальная ТС обшего вида - I (S₃)

4. Идеализация реальной ТС

До сих пор в ТРИЗ идеализацию ТС рассматривали как процесс развития ТС по пути уменьшения М,Г,Э и увеличения числа функций. Однако такой взгляд не полностью отражает реальное развитие ТС в направлении увеличения степени идеальности. Кроме того, он не позволяет выявить самого механизма идеализации. А такой процесс при развитии ТС как их усложнение, рассматривался как уменьшение идеальности ТС. Такое положение приводило к противоречию между основным положением теории и реальным развитием ТС, к столкновению тенденций развития. Временно это противоречие было разрешено таким объяснением: усложнение ТС происходит в надсистеме, а в оперативной зоне идет процесс идеализации ТС. Однако на самом деле такое усложнение всего лишь один из путей выявления функций будущего идеального вещества или процесса.

Анализ логики развития ряда технических систем показал, что их развитие в направлении повышения идеальности проходит два основных этапа: развертывания ТС путем усложнения их с целью поиска функций будущей ИТС и поглощения (или свертывания) ТС идеальным веществом этой системы, появляющимся в процессе развития (идеализирующийся как наиболее низкий ранг ТС, идущий в авангарде развития ТС).

Формально процесс развития реальной ТС может быть записан выражением:

Количество функций n_MAX зависит от числа подсистем входящих в ТС и выполняемых ими функций. Как правило, количество функций n_MAX при поглощении ТС веществом сохраняется.

Здесь следует отметить, что в процессе развития реальной ТС развивается не какая-то конкретная ТС данного вида, а класс ТС - в виде многообразия ТС имеющих общую ГПФ, привнося или принимая ряд признаков той надсистемы, в которой они используются. Это наглядно было показано на развитии тепловой трубы.

Этап развертывания ТС протекает следующим образом.

После появления потребности в новой ТС происходит поиск исходных подсистем, веществ и синтез из них ТС. В этот период идет поиск "классической" схемы ТС в соответствии с законами статики, обеспечивающими поиск состава, энергетическую проводимость ко всем частям системы, согласование ритмики частей системы между собой и соблюдением принципа ВПФ-совместимости.

После формирования моно-ТС происходит интенсивное развитие ТС путем применения ее в различных ТС в качестве подсистемы. Одновременно идет процесс увеличения ГПФ ТС и ее "обрастание" рядом подсистем, повышающих эффективность или обслуживающих ее. На этом этапе уже начинают заметно проявляться тенденции совмещения новой моно-ТС с подсистемами надсистемы и поиска идеальных подсистем, веществ, позволяющих повысить ГПФ системы (см. таблицу применения ТТ в других ТС - рис. 7).

Применение ТС в надсистеме приводит с первых же шагов развития системы к объединению ее с другими системами и дифференциации ее подсистем по выполняемым функциям. Одновременное усложнение и дифференциация ТС и ее подсистем приводит к тому, что каждая ее подсистема на уровне своего ранга становится трудно управляемой - происходит процесс насыщения.

В этот период в недрах подсистем ТС зарождается идеальное вещество, которое после насыщения подсистемы соответствующего ранга поглощает в себя эту подсистему. Так, переходя от ранга к рангу идеальное вещество поглощает и саму ТС.

Этот процесс изображен на рис. 62. Пунктирные линии (на рисунке только для В и ТС) показывают поглощение (свертывание), очистку В от лишних веществ и свойств и поглощение ТС идеальным веществом.

В это время усложнение ТС продолжается, но уже на более высоких рангах или при ее объединении с себе подобными. Как было показано Г.С.Альтшуллером и И.М.Верткиным процесс усложнения ТС происходит путем развертывания ТС из моно-системы в би-, затем в поли- и, наконец в сложные системы.

В каждый период развертывания ТС в би- или поли-систему происходит процесс поглощения (свертывания) ТС в вещество.

Усложнение ТС может быть выражено принципом негэнтропийности, обеспечивающего развитие ТС в направлении идеальности. Суть его заключается в увеличении сложности ТС в процессе развития (увеличении количества возможных вариантов отклика), повышении организации (разделении функций между специализированными связанными между собой открытыми подсистемами и объединении их в универсальную систему) и переходе к самоорганизующимся системам.

Второй этап идеализации ТС - этап поглощения (свертывания) ТС идеальным веществом и есть тот процесс идеализации, который общепринят в ТРИЗ.

Таким образом, представление об усложнении ТС в период ее развертывания, как о составной части процесса идеализации, его диалектики, позволяет получить наиболее полную картину развития ТС и разрешить те противоречия, которые имелись между теорией и реальностью.

2.2. МОДЕЛЬ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Анализ линии жизни реальных ТС показал, что развитие любой системы в итоге заканчивается созданием новой моно-системы, развитие которой повторяется вновь во всех подробностях, но на новом иерархическом уровне. Здесь имеются в виду подробности закономерностей развития. Это дает возможность утверждать, что существует генеральная линия развития любых ТС. В этом аспекте понятие ИТС необходимо для того, чтобы выявить особенности формирования систем, лежащих на этой линии.

Чтобы выявить особенности формирования систем, лежащих на генеральной линии развития, проанализируем модель простейшей ТС (как составной части ТС I, II и III рангов [2] в ее динамическом внутреннем функционировании и взаимодействии с внешней средой. Структура такой ТС была предложена Г.С.Альтшуллером (рис. 63). Она включает в себя минимум составных частей и связей между ними: иерархию внутренних подсистем (ПС, П^ПС - подсистема n-ного ранга), связи с соседними системами (S(C); (S(ПC)) и с надсистемой (S(C), S(С,НС)) и пограничный слой (ГС) между НС и ТС.

При взаимодействии ТС с внешней средой, т.е. при поступлении извне потоков энергии, веществ и информации - полезных (Э_П; В_П; И_П) и вредных (Э_В; В_В; И_В) - начинается внутреннее функционирование перечисленных выше связей. В результате в надсистему технической системой выдается продукция (Пр), отходы вещества и энергии (Э_О; В_В;) измерительная информация (И) о состоянии системы.

Учитывая системный характер техники, многоранговость ТС и невозможность отразить предложенной схемой иерархических уровней вещества и поля, нами была предложена схема, изображенная на рис. 64⁶, которая идентична схеме на рис. 63. Она позволяет отразить как иерархическую зависимость различных рангов ТС, так и некоторые тенденции развития ТС. Каждый из уровней П, В, ПС, ТС и НС представляют собой (в общем виде) область, в которой распределено все многообразие ТС на соответствующих подуровнях. Между уровнями находятся пограничные слои. Потоки энергии, вещества и информации попадая в систему, распределяются между ее подсистемами (уровнями), выдавая на выходе продукцию. При этом, вместе с потоками вредных (Э,В,И), часто генерируемых самой системой, в систему проникают потоки (Э,В,И) из окружающей среды (претензии окружающей среды), ухудшающие и разрушающие ТС. Для уменьшения их влияния в ТС вводится пограничный слой. Но, если и он не "спасает" систему, система адаптируется к воздействующим на нее претензиям, обращая вред в пользу. Таким образом в процессе функционирования ТС должна уметь хорошо перерабатывать полезные потоки (Э,В,И), максимально соблюдая принцип ВПФ-совместимости, и, уметь хорошо сопротивляться претензиям окружающей среды, максимально, где надо, соблюдая или не соблюдая принцип ВПФ-совместимости.

Предложенная схема позволяет также выявить некоторые особенности сосуществования ТС и окружающей среды при их взаимодействии. Одной из таких особенностей являются проявление закона соответствия организаций ТС и окружающей среды.

Сечение 2 - 2

2.2.1. Закон соответствия организаций ТС и окружающей среды.

Любое взаимодействие, если противодействующие в нем силы равны по величине и противоположны по направлению, является равновесным.

При взаимодействии ТС с окружающей средой (ОС) чаще претензии ОС оказываются сильнее возможностей ТС. Это позволяет сделать вывод о том, что необходимым условием бесконфликтного функционирования ТС в окружающей среде является соответствие ТС окружающей среде по сложности и уровню организации.

Исследования развития различных ТС подтверждают этот вывод и показали, что с увеличением степени идеальности ТС уровень организации ТС становится значительно выше уровня организации ОС. ТС становится более управляемой и меньше начинает зависеть от окружающей среды. Кроме того, при анализе причин и механизмов динамизации ТС выяснилось, что претензии ОС имеют определенную иерархию, которая представляет собой системную организацию природных систем (и природы в целом). Системный характер претензий ОС и в то же время их многообразие вызывает определенное многообразие ТС, функционирующих в окружающей среде, а также многообразие живых организмов.

В самом общем виде иерархия претензий ОС к ТС может быть представлена следующим перечнем.

1. Макровоздействия (землетрясение, ветер, волны, приливы-отливы, солнечное излучение и т.д.).

2. Мезовоздействия (средние макровоздействия).

3. Микровоздействия (вибрация, коррозия, растворение вещества, нагрев), а также претензии действующие на уровне:
   • кристаллической решетки,
   • доменов,
   • молекул,
   • атомов, и т. д.

4. Микровоздействия на уровне полей (солнечное излучение, тепловое поле, электростатическое, электромагнитное, магнитное и гравитационное поля и др.).

Например, на судно в океане действуют: макроволны - в целом на весь его остов; мезоволны - на его корпус; кавитация, раствор морской воды и т.д. - на материал корпуса; ветер - на надстройки на палубе и т.д. Таким образом сложность организации ОС требует соответствующей сложности организации ТС, чтобы на каждую претензию ОС был соответствующий отклик ТС. Это достигается, например, повышением управляемости ТС.

Создавая ТС для борьбы с претензиями ОС необходимо исходить из уровня организации самой претензии, включая ТС в качестве промежуточного элемента между претензиями ОС и ТС, которую необходимо защитить или ОС и человеком. Изменения, которые происходят после того когда достигается соответствие реакций ТС на претензии ОС, находятся в прямой зависимости от претензий ОС и потребностей человека.

Например, опора для сохранения вечной мерзлоты по пат. США 3788389 выполнена в виде ТТ способной реагировать на все изменения температуры окружающей среды, поддерживая таким образом равновесие между температурой опоры и грунта. Здесь ТТ действует на том уровне, на котором находятся претензии ОС (тепло), но имеет при этом уровень организации выше, чем у ОС, этим и достигается высокая скорость реакции на все изменения ОС.

Другой пример - костюм для горноспасателей по а.с. СССР 111144 (общеизвестное изобретение Г.С.Альтшуллера - см., например, "Алгоритм изобретения", М.: Московский рабочий, 1969 г., с.88, 1973 г., с. 111).

Для обеспечения жизнеспособности ТС должна находиться в неравновесном с ОС состоянии. А это возможно лишь при более высокой организации ТС по сравнению с организацией ОС. Равновесие может наблюдаться в пограничном слое.

То же можно сказать и о случае, когда претензии генерируются самой ТС. Например, в случае неуправляемых процессов или подсистем. Так, жало паяльника по а.с. СССР 616073 выполнено в виде ТТ, стабилизирующей его температуру.

Можно сказать, что в процессе своего развития ТС стремится перейти на тот уровень, на котором наблюдается или может быть соответствие организаций ТС и ОС. Причем процесс этот направленный, ТС все время стремится, как бы, уйти от претензий более высоких уровней, к претензиям более низких уровней.

Особенно ярко этот процесс проявляется при переходе с макро- на микро-уровень. Например, струны ограничительного элемента, при электрохимической обработке стекла, натягивались с помощью специального механического устройства. Тем не менее претензии ОС - тепловое поле, нагревающее и деформирующее струны (чем и вызвана необходимость подтягивать их), действовали непосредственно на кристаллическую решетку струн. В соответствии с вышеизложенным, ТС также должна перейти на тот уровень, где непосредственно действуют претензии. Что и было предложено по а.с. СССР 580116: ограничительный элемент выполнили в виде биметаллической дуги. Теперь устройство само приспосабливается к изменениям теплового поля.

Уход от претензий высших уровней к претензиям низших уровней заметен во всех областях, где ТС испытывает претензии разных уровней. Например, в строительстве: это переход от зданий опирающихся на несколько точек, к зданиям, опирающимся на одну, например к фундаментам с корневой системой, особенно в районах с повышенной сейсмичностью.

Итак, сохранение неравновесного состояния взаимодействия с внешней средой является важным принципом, обеспечивающим жизнеспособность ТС. Он состоит в противоборстве факторов, направленных на поддержание неравновесия со средой, и уравновешивающих факторов среды, направленных на приведение ТС в состояние равновесия. ТС достигает состояния неравновесия путем оптимального перераспределения Э, В и И между подсистемами (если для этого хватает внутренних ресурсов - селективных подсистем, связей между ними, запасов "прочности") или изменяется, заменяется новой ТС (если внутренних ресурсов недостаточно и нечем ответить на "претензии" внешней среды, то возникают и быстро развиваются противоречия).

Один из путей опережающего (прогностического) развития ТС - искусственное ужесточение изменений внешней среды для создания сильных противоречий.

Во всех случаях уровень организации ТС должен быть несколько выше уровня организации ОС. Например, необходимо поддерживать разницу температур между наружной оболочкой космического корабля и внутренней. Достигается это путем создания пограничного слоя, обеспечивающего сохранение разности изменения в организации внутренней среды ТС и внешней - космоса.

На первых этапах развития ТС образуется первичный пограничный слой. Затем идет процесс упрочнения и усложнения, динамизации и дифференциации его на подслои со специализацией их по потокам Э,В,И. И, в конечном итоге, поглощение всех буферных систем, обслуживающих пограничный слой, идеальным веществом этого слоя.

Усложнение ТС в период развертывания протекает одновременно с процессами объединения и специализации подсистем, что требует повышения управляемости усложнившейся системы. Назревшие противоречия между управляемостью и сложностью системы разрешаются двумя путями:

• передачей функций управления в надсистему путем усложнения надсистемы и упрощения системы (ее оперативной зовы),

• передачей управления идеальному веществу системы путем упрощения самой системы, но усложнением вещества.

Примеры тому ТТ-120, ТТ-121 и ТТ-92.

Непременным условием развития ТС в направлении увеличения степени идеальности, является принцип наименьшего действия. Суть его заключается в том, чтобы в процессе развития ТС осуществить такие минимальные преобразования в ТС, после которых в ней происходили бы сами по себе изменения, направленные на увеличение главной полезной функции системы.

Проявление этого принципа становится ощутимым в тех случаях, когда в системе соблюдены принципы ВПФ-совместимости, соответствия организаций ТС и ОС, а сама ТС находится на этапе поглощения в идеальное вещество. Например, ТТ-92, ТТ-108, а.с. СССР 383973, а.с. СССР 1070421 и др.

Приведенные принципы являются попыткой исследовать "тонкую структуру" и механизмы развития и функционирования технических систем.

2.3. СХЕМА ЭВОЛЮЦИИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

При построении любой научной теории одним из важных вопросов является философская позиция исследователя, его методология. Это особенно важно сейчас, когда закладываются основы ТРТС, корни которой уходят в ТРИЗ.

ТРИЗ построена на большом фактическом материале. Но тот эмпирический подход, заключающийся в разделении, расчленении объекта, фиксирование в сознании устойчивого объекта, с уже сложившейся структурой, становится не приемлемым, особенно когда исследуется вопрос об эволюции системы.

Поскольку такой эмпирический подход отвлекается от развития предмета, его соотношения с системой, взаимодействия с другими предметами, то в результате оказывается, что исследуемый предмет как целое отражается односторонне. Поэтому нами выбран путь анализа не отдельных, вычлененных из общего развития ТС, а путь логики развития целого вида ТС, увязки всех законов и движущих сил развития в единое целое.

К проблеме идеализации ТС было сделано несколько подходов:

• исследована динамизация ТС,
• исследована идеализация вещества ТС,
• проанализированы принципы развития и модель ТС, виды идеализации, логика развития конкретной ТС.

Полученные схемы, каждая по своему, отражала процесс идеализации. Однако при попытке объединить их, для объяснения эволюции ТС возникали противоречия. Попытка привлечь схему диалектики развития ТС, предложенную Г.С.Альтшуллером и И.М.Верткиным (см. рис. 65), для устранения возникшего противоречия, еще сильнее обострила противоречия между отдельными схемами, хотя было ясно, что каждая из них отражает какую-то сторону развития. Например, схема диалектики развития ТС отражала усложнение ТС в процессе перехода от моно к би-, затем к поли- и сложным системам. При этом отмечалось, что развитие ТС происходит по пути разрешения противоречия между усложнением ТС и ее идеализацией - операцией свертывания системы. Причем полностью свернутая би- или поли-системы снова становится моно-системой и может вновь совершить виток от "А" к "Д" или "Е" (т.е., к моно-С или би-С следующего цикла). Это один из важнейших механизмов развития всех ТС, отражающий одновременно закон перехода в надсистему.

Когда же был применен системный подход к решению возникших противоречий, все схемы удалось вписать в единую схему (модель) эволюции ТС, которая была впоследствии названа "бегущей волной идеализации".

С учетом исходных принципов и схем, схема диалектики развития ТС (рис. 65), уточненная на Новосибирской конференции, была деформирована (см. рис. 66) так, чтобы все полностью свернутые ТС легли на генеральную линию развития (ГГЛ) ТС. Таким образом, точки, которые легли на ГГЛ, отразили то представление об идеальности ТС, которое принято в ТРИЗ (М,Г,Э->0, п->). Стало ясно, что без анализа части жизни ТС лежащей выше ГГЛ невозможно будет выяснить ни структуру законов, ни их механизмы, ни объяснить все существующее многообразие систем данного вида.

Воображаемая линия, по которой происходит свертывание системы, показывает направление, по которому происходит идеализация ТС поглощением ее идеальным веществом, совмещающем в себе функции всех подсистем системы, которыми она обрастает в период развертывания. Схематично этот процесс может быть изображен в виде ГПФ, для осуществления которой ряд подсистем, выполняя свои полезные функции (ПФ), объединяются в одном веществе.

Описанные процессы идеализации ТС протекают во времени и пространстве. Поэтому, чтобы полнее отразить эволюцию ТС, мы остановились на пространственно-временной модели эволюции в виде "бегущей волны идеализации" (рис. 67). Она отражает процесс развертывания моно-системы сначала в многообразие систем данного вида, а затем в би-, поли-, и сложные системы, с одновременно протекающим процессом поглощения системы идеальным веществом, найденным как на стадии синтеза, так и в процессе развития системы. Каждая из областей модели (П, В, ПС, ТС и НС) являются областью поиска функций подсистем, необходимых для повышения ГПФ системы. Поэтому данная модель может рассматриваться как модель развития ТС самых различных рангов, так и целого вида ТС или конкретной системы.

"Тонкая структура" предложенной модели может быть уточнена в последующих разработках.

На рис.70 дано продольное сечение модели 1-1, показаны зоны развертывания и поглощения систем. Из нее следует, что в процессе поглощения системы веществом возможен переход ("заскок") системы в зону полей. Такие примеры известны, например, вместо перемешивающего устройства по пат. Японии №13171 используют электростатическое поле, заряжая вводимые порошкообразные добавки и жидкий металл разными зарядами.

Из модели следует также, что моно-, би-, поли- и сложные системы после поглощения идеальным веществом переходят в надсистемы (рис. 70), но уже в свернутом виде (рис. 70, пунктирные линии ниже линии ГГЛ).

На рис. 71 изображена структура каждой области. На уровне НС, ТС и ПС - это подобласти определенных рангов (в соответствии со схемой иерархии ТС - см. табл. 1 [3]). Каждый из рангов в свою очередь состоит из рангов более низкого порядка. В области вещества и поля также имеется своя "тонкая структура", отражающая организацию материи на уровне вещества и поля. Очевидно, что структура каждой из областей имеет более сложное строение. Однако это может быть уточнено только при специальном исследовании.

Предлагаемая модель эволюции ТС лишь в общих чертах отражает реальное развитие ТС. Это акт развития моно-ТС в моно'-ТС. Модель развития конкретной ТС может выглядеть суперпозицией волн идеализации многих ее подсистем. Или, если это развитие целого вида ТС - суперпозицией волн идеализации всех ТС и их подсистем, имеющих общую ГПФ, но разный темп развития (T_i)

Темп развития ТС зависит от многих факторов: общественной потребности, уровня знаний в конкретной области техники, наличия требуемых средств и материалов для совершенствования данной ТС, сложности решаемой задачи и т.д. В идеале все перечисленные составляющие должны иметь один общий темп развития. В авангарде, с некоторым опережением, должны идти научные знания о перспективах развития ТС по ГГЛ и прогноз потребностей общества по развитию ТС.

2.4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАКОНОВ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ В ПРОЦЕССЕ ЭВОЛЮЦИИ

Как отмечалось в предыдущих главах, развитие ТС протекает в результате взаимодействия двух процессов: объединения и дифференциации подсистем системы. Оба процесса связаны с определенными группами законов. В целом же они направлены на повышение степени идеальности ТС по ГГЛ. Это достаточно ярко показано на анализе развития тепловых труб.

На начальном этапе развития - этапе синтеза ТС решающую роль играют законы статики: закон полноты частей системы, законы энергетической проводимости и согласования ритмики частей системы.

Иерархичность ТС и их многоуровневость предопределяют свои особенности проявления законов развития. Например, чем выше ранг ТС, тем больше особенностей, характерных для низких рангов, включается в работу, давая в итоге суммарный эффект. На уровне вещества, например, в период синтеза ТС особую роль играет принцип ВПФ-совместимости, являющийся частным случаем более общего закона согласования, но проявляющийся на более низких рангах ТС, а также при переходе ТС с макро- на микро-уровень и при повышении организации системы (примеры - микросхемы, ТТ по а.с. СССР 1070421 и др.). Так, по а.с. СССР 504049 для того, чтобы тепловая труба выполняла свою ГПФ и потребности НС, в которую она входит, ее корпус выполнен из материала с эффектом памяти формы. Гибкость корпуса потребовала соответствующей гибкости и от КПМ, и от теплоносителя - ВПФ-совместимости с материалом корпуса и КПМ по ГПФ системы.

При поиске состава ТС на этапе синтеза закон согласования играет решающую роль, т.к. от него зависит жизнеспособность ТС и соответствие выполняемой ею ГПФ, той ГПФ, которую необходимо получить для удовлетворения соответствующей потребности надсистемы. Например, из набора всевозможных веществ, подсистем и систем в период синтеза ТТ выбраны только те, которые лучше других выполняют требуемую ГПФ и лучше других согласуются между собой.

Каждая ТС предназначена для выполнения определенной работы, а для этого потоки Э, В и И, получаемые ею, должны преобразовываться ее двигателем в нужные ей виды Э, В и И, и по определенному каналу (трансмиссии) транспортироваться той или тем подсистемам (рабочему органу), которые должны превратить их в продукцию. А для того, чтобы потоки Э, В и И попали в нужную подсистему, нужны подсистемы, которые управляли бы этими потоками, а также всей ТС в соответствии с потребностями надсистемы. Т.е. соблюдение закона энергетической (или шире - Э, В, И) проводимости ко всем частям системы, является непременным условием обеспечения функционирования всей ТС. Например, если в ТТ к зоне нагрева не подводить тепло и не подавать поток вещества от зоны конденсации - система будет не в состоянии выполнять свою ГПФ. Нарушение этого закона видно на ТТ Уэйта (США, 1965) - неконденсирующийся газ блокирует часть зоны конденсации (из-за нарушения принципа ВПФ-совместимости или закона согласования), выключая ее из работы.

Взаимодействие законов статики на этапе синтеза системы схематично можно изобразить в следующей последовательности.

1. Формирование цели (передача тепла от точки А к точке Б с большой скоростью).

2. Построение мысленной модели ТС (на основе имеющихся знаний).

3. Поиск компонентов ТС с нужными ПФ 1 - 4.

4. Формирование состава ТС из найденных компонентов.

5. Поиск структуры ТС.

6. Развитие найденной "классической" схемы ТС

Поиск "состава" системы на стадии синтеза представляет собой пересечение "волны идеализации" различных В, ПС, ТС и НС, "удачные" сочетания которых (обеспечивающие требуемую ГПФ) порождают новую систему, а значит и новую волну идеализации.

С рождением ТС начинается период ее массового применения. Система совершенствуется, обрастает подсистемами обслуживающими ее, усложняется. С усложнением ТС повышается степень ее вепольности (см. рис. 79). Воображаемая плоскость, проведенная через линию увеличения вепольности и ГГЛ отражает этапы развития веполей при развертывании системы и поглощении ее идеальным веществом (свертывании). Процесс поглощения ТС идеальным веществом отражен на рис.79 и на рис.84. Восходящая линия на рис.79, - это процесс перехода от неполных веполей к веполям, затем от простых к цепным и сложным на макроуровне. Нисходящая линия, указывающая направление поглощения системы в идеальное вещество, - увеличение управляемых связей в системах, увеличение степени дисперсности, особенно в зоне ТС из шариков, порошка (см. рис.104), переход к феполям, а затем к двойным, цепным и сложным веполям (за счет совмещения подсистем в одном ИВ на микроуровне).

Из разреза волны идеализации следует, что чем выше область (ранг) ТС над областью полей, тем менее управляемые поля используются в ТС (в соответствии с принципом ВПФ-совместимости по ГПФ), и, чем ниже область ТС, например, область вещества, тем сильнее взаимодействие между полями и веществами и тем более управляемые поля применяются в ТС; причем эти поля на несколько порядков слабее полей, используемых в надсистеме. Схематично это изображено на рис.80.

Таким образом, закон увеличения степени вепольности - это одна из сторон развития ТС, ответственная за поиск новых подсистем с целью выявления новых функций будущего идеального вещества.

При взаимодействии ТС и ОС образуются вепольные системы, включающие природные объекты и поля в качестве составляющих компонентов. В этот период жизни ТС решающую роль начинает играть закон динамизации ТС, обеспечивающий ей организацию не ниже организации ОС, адаптацию к ОС и, затем, (используя ее же "силу") воздействие на нее. Все это вызывает необходимость переходить к форсированному (динамичному) веполю.

Из приведенной вепольной формулы ясно, что для сопротивления воздействию ОС, имеющей более высокую организацию, ТС должна стать управляемой, чтобы "пересилить" эту организацию.

Подробно процесс динамизации ТС описан в главе 4.

Как уже было сказано, в период развертывания ТС происходит противоположный ему процесс - поглощения ТС идеальным веществом. Этот процесс протекает одновременно с переходом системы с макро- на микро-уровень. Путь этого перехода зависит от ранга системы. Чем выше ее ранг (см. рис.84), тем сложнее и длиннее он. Прежде чем ТС высшего ранга перейдет на микро-уровень, на микро-уровень должны перейти ее подсистемы самых низших рангов, поглотившись идеальным веществом. Например, чтобы НС (т. 4.1 рис.84) перешла на микро-уровень, ее подсистемы должны пройти путь 1.1 - 3.3. - 4.1. (рис. 84) Такой путь прошли в своем развитии, например, электронные приборы, поглотившиеся в одну микросхему.

Итак, переход системы более высокого ранга на микро-уровень начинается с ее подсистем более низкого ранга. И начинается этот переход с отыскания и перехода одной из подсистем (чаще на ранг выше той подсистемы, которая непосредственно испытывает претензии ОС) в идеальное вещество ИВ-1.

С переходом с макро- на микро-уровень ранг системы постепенно уменьшается, но повышается уровень ее организации за счет совмещения в одном ИВ всех составляющих ТС (двигателя, трансмиссии, рабочего органа и органа управления). Или: функции управления и обеспечения энергией ТС передаются в надсистему.

Поглотившись ИВ, ТС в новом виде быстро переходит на более высокие ранги (пунктирная линия - см. рис.82) за счет своей применимости. Тем самым сокращается теоретический путь развития ТС (сплошная линия) следующего уровня сложности (би-, поли- и сложные ТС). Затем би-, поли- и сложные ТС проделывают аналогичный путь развития, еще дополнительно сокращая теоретический период идеализации ТС в целом.

В итоге реальное развитие оказывается по времени короче теоретического.

Здесь следует коснуться развития органов управления. Во всех случаях, чтобы эффективно управлять ТС, иметь соответствующий отклик на претензии ОС и потребности со стороны человека, органы управления должны иметь организацию несколько выше, чем любой из элементов системы. Этим требованием и вызвано быстрое развитие и усложнение органов управления и, в частности, такой отрасли техники, как микроэлектроника, как одной из областей техники максимально участвующей в развитии органов управления ТС.

Описанные выше законы неизбежно проявляются и на этапе динамизации ТС (см. гл. 4), когда претензии ОС начинают интенсивно проникать в ТС, вызывая у последних потребность адаптироваться к ОС, а затем и управляя ею. Проникновение претензий ОС на ту или иную "глубину" в ТС приводит к неравномерности развития частей системы. Кроме претензий ОС (включающей внешнюю - природную среду и внутреннюю среду ТС, а также среду техническую), ТС испытывает претензии со стороны общества в виде потребностей. Неравномерность развития частей системы хорошо заметна на схемах - рис. 116, 117, а также схемах, иллюстрирующих динамизацию ТС.

До сих пор в ТРИЗ основное внимание исследований было направлено на анализ второго этапа развития ТС - этапа свертывания (поглощения) ТС. Тогда как значительная часть жизни ТС уходит на этап развертывания, когда происходит усложнение ТС в целях поиска, выявления новых функций.

Закон усложнения организации ТС, суть которого заключается в том, что необходимым условием развития ТС является усложнение ее организации за счет повышения степени системности и развития вещества ее подсистем.

Повышение степени системности происходит за счет объединения нескольких ТС в одну большую надсистему, а затем, после поглощения ее идеальным веществом, проходящим через ряд законов (динамизацию, переход с макро- на микро-уровень, переход от однородных систем к неоднородным, композитам) и тенденций, превращения ее в ТС с высокоорганизованным веществом.

Действие закона сопровождается такими тенденциями, как объединение ТС в сложную систему (развертывание) и дифференциация по подсистемам и выполняемым функциям, универсализация и специализация, адаптация и антиадаптация. И на каждом этапе развития уровень сложности организации ТС должен быть не ниже уровня сложности организации окружающей среды. Система должна уметь давать отклики на все конфликтующие с ней претензии ОС и предъявляемые к ней потребности. Причем, по разнообразию ТС и выполняемых ими функций ТС стремятся не отстать от разнообразия воздействующих на них претензий ОС и потребностей со стороны общества. Увеличение разнообразия ТС, а затем совмещение найденных в разных системах функций - это и есть разрешение противоречия между разнообразием, усложнением ТС и их идеализацией.

Таким образом, вся гамма законов и тенденций развития технических систем, находясь во взаимодействии друг с другом, направлена на совершение главного процесса - идеализации систем по главной генеральной линии развития.