Законы развития систем. ТРИЗ. Изд. 2-е, испр. и дополненное

Эмерджентность (от англ. Emergent — возникающий, неожиданно появляющийся) в теории систем — наличие у какой-либо системы особых свойств, не присущих ее подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не связанных особыми системообразующими связями; несводимость свойств системы к сумме свойств ее компонентов; синоним — «системный эффект».50

Часто такое свойство так же называют синергетическим эффектом (от греч. συνεργός – вместе действующий) — возрастание эффективности деятельности в результате интеграции, слияния отдельных частей в единую систему за счет так называемого системного эффекта51.

Например, обмен вещами не приводит к синергетическому эффекту, так как их остается тоже количество. Обмен идеями приводит к синергетическому эффекту, так как в результате у одного человека идей становится больше.

Синерги́я (греч. Συνεργία — сотрудничество, содействие, помощь, соучастие, сообщничество; от греч. Σύν — вместе, греч. ἔργον — дело, труд, работа, действие) — суммирующий эффект взаимодействия двух или более факторов, характеризующийся тем, что их действие существенно превосходит эффект каждого отдельного компонента в виде их простой суммы52

Целостность53 – характеристика системы, выражающая автономность и единство системы, противостоящей окружению. Она связана с функционированием системы и присущими ей закономерностями развития.

Целостность не абсолютное, а относительное понятие, поскольку система имеет множество связей с окружающими объектами и внешней средой и существует лишь в единстве с ними.

Свойство54 – сторона (атрибут) системы. Оно определяет различие или общность предмета с другими предметами.

Свойство обнаруживается в отношении подсистем в системе, поэтому всякое свойство относительно. Свойства существуют объективно, независимо от человеческого сознания.

Отношение55 – взаимосвязь, взаимозависимость и соотношение элементов системы. Это мысленное сопоставление различных объектов и их сторон.

Пример 1.1. Предложение (в языке)

Предложение состоит из слов и способа построения предложения – грамматики.

Ни один из этих элементов не обладает свойством выразить мысль. Соединенные в единую систему – предложение, приобрел новое свойство – мысль – системный эффект.

Предложение – целостно. Оно автономно и имеет свои закономерности развития – развитие грамматики.

В предложении показана взаимосвязь отдельных слов, их свойства, обнаруживаемые в их отношении друг к другу.

Системам свойственно понятие иерархии.

Иерархия систем:

– собственно система;

– ее подсистемы;

– надсистема;

– внешняя среда.

Иерархия систем

Пример 1.2. Телефон

Система – телефон.

Подсистемы: микрофон и наушник, клавиатура, дисплей, память и т. п.

Надсистема – АТС, телефонные сети и т. д.

Внешняя среда – чаще всего помещение, воздух.

Пример 1.3. Автомобиль

Система – автомобиль.

Подсистемы: колеса, двигатель, бензобак, система управления и т. п.

Надсистема – дороги, автозаправочные станции, автостоянки, система управления движением и т. д.

Внешняя среда – открытое пространство и атмосферные явления.

Законы мы будем рассматривать:

– для анализа существующих искусственных (антропогенных) систем;

– создания (синтеза) искусственных систем.

Антропогенная система56 (от греч. anthropos – человек, genesis – происхождение, становление развивающегося явления) – система, созданная в результате сознательно направленной человеческой деятельности.

Пример 1.4. Антропогенные системы

Это широкий класс систем, созданных человеком: язык, понятия, мысли, знания, наука, литература и искусство, социальные группы (племена, сообщества, государства и т. д.), сельскохозяйственные системы, искусственно созданные объекты фауны и флоры (генная инженерия, биотехнологии и т. п.), технические системы и т. д.

Основное внимание будет уделено рассмотрению одного класса антропогенных систем – технических систем.

Техническая система (ТС) – это система, создающаяся с конкретной целью для удовлетворения определенной потребности. Она выполняет функцию, осуществляя процесс, основанный на определенном принципе действия.

ТС имеет определенную структуру и потоки.

Примечание. Техническая система может включать, как искусственные, так и природные элементы.

В качестве примеров технических систем можно назвать: самолет, автомобиль, кондиционер, телефон, телевизор, компьютер, Интернет и т. д.

Пример 1.5. Самолет

Самолет состоит из крыльев, фюзеляжа, двигателя, шасси и т. д.

Ни один из этих элементов не обладает свойством летать. Соединенные в единую систему – самолет приобрел новое свойство – летать – системный эффект.

Пример 1.6. Телефон

Телефон состоит из микрофона, наушника, клавиатуры, дисплея, памяти и т. п.

Ни один из этих элементов не обладает свойством передавать звук на расстояние. Соединенные в единую систему – телефон приобрел новое свойство – передавать звук на расстояние – системный эффект.

Пример 1.7. Алгоритм

Алгоритм – это определенный порядок выполнения различных операций, приводящий к конкретному результату.

Алгоритм состоит из отдельных операций, выполняемых в определенном порядке.

Каждая из операций и порядок их выполнения в отдельности не приведут к необходимому результату. Соединенные в единую систему – алгоритм приобрел новое свойство – конкретный результат – системный эффект.

Анализ и синтез технических систем должены использовать системный подход.

Синтез ТС должен осуществляться в следующей последовательности: выявление потребностей, функций, принципа действия и систем (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Последовательность синтеза технической системы

Анализ ТС осуществляется в обратной последовательности: анализ существующей системы, ее составных частей и процессов, анализ принципа действия системы, выявление функций системы и потребности, которую удовлетворяет данная система (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Последовательность системного анализа

В дальнейшем могут быть выбраны или разработаны альтернативные системы, использующие тот же принцип действия, или альтернативные системы, выполняющие ту же функцию или альтернативные системы, удовлетворяющие данную потребность.

Потребность – нужда в чем-либо, необходимом для поддержания жизнедеятельности индивида, социальной группы, общества, внутренний побудитель активности57.

Функция (от лат. functio – совершение, исполнение) – процесс воздействия субъекта на объект, имеющий определенный результат.

Кроме того, функцию определяют и как «внешнее проявление свойств какого-либо объекта в данной системе отношений»58.

В дальнейшем будем использовать более краткую формулировку функции.

Функция – это действие субъекта на объект, приводящее к определенному результату.

Рис. 1.3. Функция

Результатом действия может быть изменение параметра объекта или его сохранение.

Функция записывается в виде глагола.

Пример 1.8. Самолет

Самолет перевозит (перемещает) пассажиров. Самолет – субъект, перевозит – функция, пассажиры – объект. Перевозить – это значит изменять объект.

Пример 1.9. Кофе

Чашка удерживает кофе. Чашка – субъект, удерживает – функция, кофе – объект. Удерживать – это значит сохранять объект.

Пример 1.10. Компьютер

Компьютер обрабатывает информацию. Компьютер – субъект, обрабатывает – функция, информация – объект. Обрабатывать – это значит изменять объект (информацию).

Пример 1.11. Компьютерная память

Память запоминает информацию. Память – субъект, запоминает – функция, информация – объект. Запоминать – это значит сохранять объект (информацию).

Процесс (от лат. processus – продвижение) – это состояние какого-либо явления во времени.

Процесс можно определить, как59:

– последовательную смену состояний стадий развития.

– совокупность последовательных действий для достижения какого-либо результата (например, производственный потребности – последовательная смена трудовых операций).

Для технических систем мы в основном будем рассматривать второе определение. Первое определение характерно для развития систем.

Пример 1.12. Приготовление кофе

Операция 1 – измельчение зерен кофе. Операция 2 – молотый кофе засыпается в турку. Операция 3 – турка заливается водой. Операция 4 – турку ставят на огонь или помещают в разогретый песок. Операция 5 – ждут пока поднимется пенка. Операция 6 – турку снимают с огня. Операция 7 – ждут, пока пенка опустится. Операции 5—7 повторяются несколько раз.

Пример 1.13. Компьютерная программа

Любая компьютерная программа работает по определенному алгоритму – порядку действий. Таким образом, компьютерная программа осуществляет процесс.

Пример 1.14. Алгоритм Евклида

В качестве процесса представим алгоритм Евклида – метод вычисления наибольшего общего делителя (НОД). Это один из древнейших алгоритмов, который используется до сих пор.

Наибольший общий делитель (НОД) – это число, которое делит без остатка два числа и делится само без остатка на любой другой делитель данных двух чисел. Проще говоря, это самое большое число, на которое можно без остатка разделить два числа, для которых ищется НОД.

Описание алгоритма нахождения НОД делением.

– Большое число делим на меньшее.

– Если длится без остатка, то меньшее число и есть НОД (следует выйти из цикла).

– Если есть остаток, то большее число заменяем на остаток от деления.

– Переходим к пункту 1.

Например, необходимо найти НОД для 30 и 18.

30/18 = 1 (остаток 12)

18/12 = 1 (остаток 6)

12/6 = 2 (остаток 0). Конец: НОД – это делитель. НОД (30, 18) = 6

Пример 1.15. Компилятор

Большинство компиляторов переводит программу с некоторого высокоуровневого языка программирования в машинный код, который может быть непосредственно выполнен процессором.

Компилятор состоит из следующих этапов.

– Лексический анализ. На этом этапе последовательность символов исходного файла преобразуется в последовательность лексем. Цель лексического анализа – подготовить входную последовательность к грамматическому анализу.

– Синтаксический (грамматический) анализ. Последовательность лексем преобразуется в дерево разбора.

– Семантический анализ. Дерево разбора обрабатывается с целью установления его семантики (смысла) – например, привязка идентификаторов к их декларациям, типам, проверка совместимости, определение типов выражений и т. д. Результат обычно называется «промежуточным представлением/кодом», и может быть дополненным деревом разбора, новым деревом, абстрактным набором команд или чем-то еще, удобным для дальнейшей обработки.

– Оптимизация. Выполняется удаление излишних конструкций и упрощение кода с сохранением его смысла. Оптимизация может быть на разных уровнях и этапах – например, над промежуточным кодом или над конечным машинным кодом.

– Генерация кода. Из промежуточного представления порождается код на целевом языке. В конкретных реализациях компиляторов эти этапы могут быть разделены или, наоборот, совмещены в том или ином виде.

Каждый из этих этапов имеет свою программу, работающую по определенному алгоритму —процессу.

Продолжим рассматривать понятие функции.

Функции можно классифицировать:

– по полезности;

– степени их выполнения.

Опишем классификацию функций:

– по полезности:

– полезные;

– бесполезные;

– вредные.

– по степени выполнения полезных функций:

– достаточные;

– избыточные;

– недостаточные.

Полезная функция – функция, обеспечивающая работоспособность системы.

Бесполезная функция – функция, не обеспечивающая работоспособность системы. Иногда такие функции называют лишними.

Вредная функция – функция, создающая нежелательный эффект.

Достаточная функция – функция, создающая необходимое (достаточное) действие.

Избыточная функция – функция, создающая избыточное действие.

Недостаточная функция – функция, создающая недостаточное действие.

Следует отметить, что избыток и недостаток полезной функции следует рассматривать как вредную функцию.

Пример 1.16. Холодильник

Функция холодильника – это охлаждать продукт, например, мясо.

Бесполезная функция для потребителя – нагрев задней части холодильника, но она необходима для принципа действия холодильника. Потребителю этот нагрев не нужен.

Вредная функция холодильника – шум компрессора.

Достаточная функция холодильника – нормальное охлаждение до заданной температуры.

Избыточная функция холодильника – избыточное охлаждение (переохлаждение) – ниже требуемой температуры.

Недостаточная функция холодильника – недостаточное охлаждение – выше требуемой температуры.

Пример 1.17. Газовая плита

Функция газовой плиты – греть объект, например, воду или мясо.

Бесполезная функция газовой плиты – нагрев окружающей среды (лишний расход тепла).

Вредная функция газовой плиты – утечка газа.

Достаточная функция газовой плиты – нормальный нагрев объекта до заданной температуры.

Избыточная функция газовой плиты – избыточный нагрев объекта, например, вода выкипела, мясо сгорело.

Недостаточная функция газовой плиты – слабый огонь, например, недостаточный для закипания воды.

Пример 1.18. Компьютер.

Функция компьютера – это обрабатывать информацию.

Бесполезная функция – это затраты энергии, когда на компьютере на работают, а он включен. Компьютер должен работать только тогда, когда вводится, перерабатывается и выводится информация. Во все остальное время компьютер зря расходует энергию.

Вредные функции компьютера – это электромагнитное излучение от компьютера и Wi-Fi, шум от вентилятора.

Достаточная функция компьютера – это, его нормальная работа.

Недостаточная функция компьютера – это, когда происходит долгая обработка информации, например, при скачивании информации из Интернета.

Пример 1.19. Телефон

Функция телефона – передавать звуковой сигнал, например, речь.

Бесполезная функция – телефон включен, но по нему не говорят. Телефон должен работать только тогда, когда передается сигнал. Во все остальное время телефон зря расходует энергию. В любые перерывы сигнала телефон должен отключаться и включаться с появлением сигнала.

Вредная функция – электромагнитное излучение, возникающее при разговоре по мобильному телефону. Оно вредно воздействует на окружающую аппаратуру, поэтому в самолетах и в больницах не разрешается разговаривать по мобильному телефону. Антенны ретрансляторов мобильной связи вредно воздействуют на окружающих.

Достаточная функция телефона – телефон работает нормально.

Избыточная функция телефона – звук передается слишком сильно, он искажается.

Недостаточная функция телефона – звук плохо слышен.

Пример 1.20. Автомобиль

Функция автомобиля – перевозить людей.

Бесполезная функция автомобиля – затраты энергии, когда автомобиль стоит, а двигатель работает, например, на светофоре.

Вредные функции автомобиля – выбрасывание в атмосферу выхлопных газов, загрязняющих окружающую среду.

Достаточная функция – нормальная работа автомобиля.

Избыточная функция – автомобиль рассчитан на скорость движения значительно превышающую допустимую скорость.

Недостаточная функция – автомобиль не можем выбраться из заноса снега, грязи или преодолеть очень крутой подъем.

Иерархия функций:

– главная функция – функция высшего ранга (условно назовем этот ранг «0»);

– основная функция – функция следующего ранга (1-го ранга), обеспечивающая выполнение главной функции;

– вспомогательная функция – функция 2-го ранга, обеспечивающая выполнение основной функции.

Главная функция

Пример 1.21. Телефон

Главная функция телефона – передавать звук, в частности голос. Это полезная функция.

Пример 1.22. Автомобиль

Главная функция транспортных систем – перемещать объект на определенное расстояние. Это полезная функция. В зависимости от среды перемещения меняется его структура. Автомобиль движется по дороге.

Основная функция

Пример 1.23. Телефон

Основная функция телефона – преобразовать звук в электрический сигнал, и обратная функция – преобразовать электрический сигнал в звук. Это полезная функция.

Пример 1.24. Автомобиль

Основная функция автомобиля – вращение колес. Это полезная функция.

Вспомогательная функция

Пример 1.25. Телефон

Вспомогательная функция телефона – обеспечить электроэнергией микрофон (наушник). Это полезная функция.

Пример 1.26. Автомобиль

Вспомогательная функция автомобиля – обеспечить двигатель энергией. Это полезная функция.

Вредная, недостаточная, избыточная функции

Пример 1.27. Телефон

Генерирование шумов – вредная функция.

Плохая слышимость – недостаточная функция.

Слишком громкий звук – избыточная функция.

Пример 1.28. Автомобиль

Выделение углекислого газа – вредная функция.

Невозможность проехать по пересеченной местности – недостаточная функция.

Возможность ехать с очень большой скоростью – избыточная функция, часто превращающаяся во вредную функцию – столкновение (аварии на дорогах).

Принцип действия – это способ выполнения главной функции системы.

Структура (от лат. Structūra – «строение») – это внутреннее устройство системы. Она создается элементами и связями между ними.

Связи могут быть внутренние и внешние.

Внутренние связи – связи между элементами системы (подсистемами).

Внешние связи – связи системы с надсистемой и окружающей средой и обратное воздействие окружающей среды и надсистемы на систему. Одна из надсистем – это объект, для которого предназначена система. Эта связь обеспечивает главную функцию системы.

Элементы и связи могут быть:

– вещественные;

– энергетические;

– информационные.

Внутренние связи

Пример 1.29. Телефон

Корпус телефона обеспечивает внутренние связи. Он обеспечивает вещественные (механические) связи отдельных элементов телефона. Проводами обеспечиваются энергетические и информационные связи.

Пример 1.30. Автомобиль

Корпус автомобиля обеспечивает внутренние вещественные связи. Трубопроводы и провода обеспечивают энергетические связи. Информационные связи обеспечиваются проводами от системы управления и к ней или бесконтактно, например, открывание дверей.

Внешние связи

Пример 1.31. Телефон

Внешние связи у телефона осуществляются по проводам или бесконтактно у радиотелефона и у мобильных телефонов.

Пример 1.32. Автомобиль

Внешняя связь у автомобиля – например, трение шин автопокрышек о дорогу.

Работа системы осуществляется вследствие прохождения потоков:

– вещества.

– энергии.

– информации.

Потоки вещества могут быть:

– твердые;

– жидкие;

– газообразные;

– смешанные.

В свою очередь твердые потоки могут быть:

– монолитными;

– в виде отдельных частиц (порошока).

Потоки вещества

Пример 1.33. Поток автомобилей

Поток твердого монолитного вещества.

Пример 1.34. Поток масла

Поток жидкого вещества.

Пример 1.35. Поток сжатого газа, например, для автоматической подкачки шин.

Поток газа.

Потоки энергии

Пример 1.36. Телефон

Поток электроэнергии по проводам.

Пример 1.37. Автомобиль

Поток жидкого топлива. Это же и поток вещества в жидком состоянии.

Поток электроэнергии по проводам.

Потоки информации

Пример 1.38. Телефон

Поток электрических и звуковых сигналов.

Пример 1.39. Автомобиль

Поток сигналов управления и сигналов от датчиков.