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

1.4. Работы по законам развития техники

На основе изучения истории техники К. Маркс сформулировал некоторые законы развития техники60:

– Закон возникновения и возрастания потребностей.

– Закон ускоренного развития средств производства.

– Закон непрерывного развития новых видов промышленности.

Различные ученые описывали требования к разработке техники и технических наук. Делались попытки классификации законов и закономерностей техники. К ним относятся работы Дж. Бернала61, Д. Киллефера62, Я. Клаучо и Е. Дуды, Л. Тондла63, И. Мюллера, Д. Тейхмана64, К. Тессмана65, Л. Штирибинга66, Б. М. Кедрова67, О. Д. Симоненко68, В. М. Розина69.

Рассмотрим более детально некоторые из них.

Философ В. П. Рожин выделял два вида законов развития любых систем70:

– Законы структуры и функционирования систем.

– Законы развития систем.

А. С. Мамзин и В. П. Рожин отмечали: «Различие законов функционирования и законов развития объектов материальной действительности связано с тем, что в первом случае мы имеем дело с такого рода законами, которые характеризуют внутреннюю связь элементов системы и выступают как важное условие сохранения целостности и ненарушимости материальной структуры объекта в процессе непрерывных изменений. Во втором случае мы имеем дело с законами, характеризующими определенную последовательность, ритм, темп и т. п. в переработке самих материальных структур, связь между различными состояниями системных объектов»71.

Таким образом, можно сказать, что первая группа законов нужна для построения системы и ее системного функционирования, а вторая – определяет, как будет развиваться система. На наш взгляд, это наиболее правильное представление.

Рассмотрим и другие классификации.

В работе Я. Клаучо и Е. Дуды «Феномен техники» выделены четыре группы законов: классификационные, отношения, причинные и диалектические72. Они рассматривают технику как единую систему.

И. Мюллер выделяет три группы законов73:

– Структуры и развития техники, как определенного целого.

– Структуры развивающих процессов, составляющих основу инженерной деятельности (конструкторской, технологической и т. д.).

– Специфические законы (отличающиеся от группы 1), образующие основу технических систем.

М. Корах74 сформулировал, по его мнению, четыре фундаментальных закона:

– Закон стоимостной переменной.

– Закон большого числа переменных.

– Закон шкального эффекта.

– Закон автоматизации.

Наиболее детально характеристику технического объекта дал В. В. Чешев75. Он пишет «…технический объект представляют в виде определенной совокупности элементов, в виде определенной вещественной структуры. …он представляет собой особую „целесообразную форму“ проявления некоторого закона природы и должен описываться со стороны технических свойств, проявляемых им при практическом использовании в производственной (или какой-либо другой) сфере деятельности, а также должен быть описан со стороны своего внутреннего содержания как процесс, определяемый законом природы. Описывая техническое устройство совокупностью технических и естественных свойств, мы получаем обобщенное представление о техническом объекте».

В. В. Чешев выделяет две основные группы понятий:

– отражающие структуру технического объекта;

– описывающие функционирование технического объекта в качестве средства целесообразной деятельности.

В первой группе выделены понятия. Наиболее общее среди них «принцип действия», к которому В. В. Чешев относит:

– «Обобщенная характеристика формы проявления закона природы, так как указываются основные факторы, обусловливающие протекание процесса.

– В «принципе действия» содержится указание на закон природы, определяющий ход процесса и его особенности…

– «Принцип действия» обобщенно характеризует структуру технического объекта, так как если указаны основные факторы процесса, их роль, то тем самым дается указание на основные структурные единицы объекта, к которым в дальнейшем можно поставить конкретные требования».

Имеются работы, описывающие отдельные принципы построения техники, например:

– Системность76 частично описана В. И. Свидерским: «Говоря об элементах, мы должны подразумевать под ними не просто дробные части данного целого, а лишь такие из них, которые, вступая в определенную систему отношений, непосредственно создают данное целое». Под элементами он понимает: «в самом общем значении под элементами следует понимать любые явления, процессы, образующие в своей совокупности данное явление, данный процесс»77.

– Принцип агрегатирования и унификации описали Х. Габель и С. А. Майоров. Х. Габель78 описывает принцип агрегатирования и унификации применительно к станкам и автоматическим линиям. Станки собираются из унифицированных блоков, а линии из агрегатных станков. С. А. Майоров рассматривает этот принцип применительно к цифровым управляющим машинам (сегодня более привычен термин компьютер). Он пишет: «В связи с непрерывно увеличивающейся потребностью в цифровых управляющих машинах назрела необходимость в более эффективной разработке прогрессивных принципов проектирования ЦУМ на основе простейших унифицированных функциональных узлов и блоков, позволяющих механизировать и автоматизировать основные производственные процессы производства этих узлов, повысить надежность и сократить сроки разработки и освоения новых, более совершенных управляющих машин»79.

– Закон растущей дифференциации техники предложен немецким ученым О. Киенцле80.

Систематизацией техники достаточно много занимались немецкие ученые. В 30-х годах этим занимался В. Бишоф. Затем эти работы продолжил Ф. Ханзен. Он назвал их «систематика конструирования». Он выявил закономерности, связанные со структурно-функциональным представлением техники81.

Ю. С. Мелещенко глубоко и обстоятельно исследовал развитие техники, технических и естественных наук. В своей работе он дал глубокий анализ: концепций, понятий, определений и классификации техники; системы связи техники с другими общественными явлениями; развития техники, и научно-технических революций. Это наиболее фундаментальный труд того времени по закономерностям развития техники82.

В результате этого анализа Ю. С. Мелещенко вывел некоторые закономерности развития техники. Так же, как и В. В. Чешев он выделил две основные и наиболее крупные группы законов и закономерностей:

– Законы структуры и функционирования техники.

– Законы развития техники.

Кроме того, Ю. С. Мелещенко выделяет две крупные групп закономерностей развития техники83:

– Внутренние закономерности развития техники (система самой техники).

– Внешние закономерности развития техники. Закономерности развития техники, складывающиеся в результате ее взаимодействия с другими общественными явлениями (система общества в целом).

Изложение закономерностей развития техники, разработанных Ю. С. Мелещенко дается в кратком, несколько упрощенном, но более структурированном, иерархическом и более наглядном, по мнению автора, виде. Формулировки законов оставлены в оригинальном виде. Выделение текста сделано автором.

Внутренние закономерности имеют две подгруппы:

а) закономерности, характеризующие сдвиги в субстанциональной стороне техники;

б) закономерности, связанные с изменением ее элементов, структуры и функций.

Рассмотрим подробнее структуру закономерностей развития техники по Ю. С. Мелещенко.

– Внутренние закономерности развития техники (система самой техники).

– Закономерности, характеризующие сдвиги в субстанциональной стороне техники84;

– Изменения в применении материалов.

– Расширение ассортимента природных материалов, применяемых в технике85.

– Вовлечение материалов природы в сферу технического использования86.

– «Поиск и создание новых материалов сочетается с постоянным совершенствованием имеющихся материалов, выявлением и использованием их новых свойств. Этот процесс, имеющий закономерный характер, пронизывает всю историю техники»87.

– Растущая целенаправленность в применении материалов, из которых создана техника88.

– Подбор материалов, которые по своим свойствам наиболее соответствуют структуре и функциям технических устройств.

– Рациональное использование материалов в количественном отношении. Изменение показателей (обычно в сторону уменьшения) по мере совершенствования техники. Например, уменьшение удельного веса, коэффициента компоновки, показателя относительного веса конструкции и др.

– Закономерности, связанные с изменениями в использовании процессов природы. Большую часть этой группы образуют закономерности, которые выражают сдвиги в энергетических и других процессах, используемых в технике89.

– Последовательное овладение все более сложными формами движения материи, их техническое использование, расширение спектра процессов, применяемых в технике (использование физических, химических и биологических процессов)90.

– Использование все более глубоких и мощных источников энергии. От использования мускульной энергии человека и животных, к использованию энергии движения воды и воздуха, тепловой энергии (паровой двигатель, двигатель внутреннего сгорания), электроэнергии, атомной энергии91.

– Растущая интенсивность применяемых процессов. Например, давления, температуры, скорости, напряжения, скорости и интенсивности применяемых процессов, увеличение скорости и количества принимаемой и перерабатываемой информации и т. д.92

– Постоянное возрастание степени целенаправленности используемых энергетических и других процессов. «Смысл и назначение техники и состоит в том, чтобы не просто осуществить какой-то процесс, а максимально направить его в нужную сторону, сделать его наиболее полезным и рациональным»93. Это осуществляется двумя путями:

– Усовершенствование выбранного принципа действия

– Переход к принципиально новой технике.

– Закономерности, связанные с изменением ее элементов, структуры и функций.

– Процесс дифференциации и специализации технических систем, их элементов. «Объективные предпосылки к этому коренятся в росте и развитии общественных потребностей, которые вызывают к жизни все новые и новые формы деятельности, а вместе с ними и соответствующие средства труда. Эти процессы обусловлены также внутренней логикой развития техники».94

– Функциональная специализация. Средства труда или сложные технические системы предназначены для обслуживания определенной функции или достаточно общей операции.

– Предметная специализация. Технические устройства или их элементы предназначаются для выполнения узкой операции, имеют ограниченную и жестко закрепленную программу действий.

Интересно отметить также, что понимает Ю. С. Мелещенко под дифференциацией и специализацией. Он пишет: «Характерно также усиление дифференциации и специализации элементов технических устройств и систем. Примером тому служит классическая система машин трехзвенного состава, включающая в себя рабочую машину, передаточный механизм и двигатель. На ступени автоматизации она дополняется таким специализированным элементом, как управляющее устройство»95.

– Процесс усложнения и интеграции техники.

– Движение к автоматизации. «Можно выделить три основных этапа исторически развивающегося взаимодействия, людей и техники в процессе трудовой, целесообразной деятельности: 1) этап использования орудий техники; 2) этап машинной техники; 3) этап автоматизации»96. «Таким образом, закономерным для развития машинной техники является последовательное и все более полное замещение человека в выполнении материальных функций»97. «Автоматизация проходит рад ступеней в своем развитии. Различают частичную, комплексную и полную автоматизацию»98.

«Мы рассмотрели некоторые внутренние закономерности развития техники. Исследование их существенно не только для изображения общей картины исторического прогресса движения техники, оно дает определенные ориентиры для будущего, для прогнозирования технического прогресса»99

– Внешние закономерности развития техники. Эти законы достаточно туманно изложены. Передаю своими словами.

Вначале излагается закон возрастания потребностей. Затем идет сравнение капиталистического и социалистического способа ведения хозяйства.

Следует обратить внимание на сформулированные Ю. С. Мелещенко группы критериев технического прогресса100.

Группы критериев технического прогресса

«Эти принципы вытекают из самой сущности техники, из единства ее природно-социальных моментов»101.

– Критерии субстанционального порядка. Любая техника создается из материалов и основывается на использовании необходимых процессов «…судить о прогрессивности техники можно, учитывая, какие материалы и процессы в ней применяются и на сколько эффективно это осуществляется».

– Критерии структурного порядка. «Технический прогресс – антиэнтропийный процесс, связанный с повышением организации и упорядоченности системы, надежности ее функционирования. Это реализуется за счет дифференциации и специализации, повышения интегративных свойств и рациональности конструкции».

– Функциональные критерии. Максимально возможное соответствие функциям, назначению техники, эффективности выполнения программы, заложенной в технической системе. Это реализуется через показатели, например, производительность, точность, скорость выполняемых операций. Информационный критерий характеризует степень саморегуляции, совершенство процессов управления.102

– Технологические и эксплуатационные критерии. Технологические критерии характеризуют процесс изготовления техники (трудоемкость, которая должна быть наименьшей; выход годной продукции, которая должна быть наибольшей, сложность сборки, которая должна быть наименьшими и т. д.). Эксплуатационные показатели связаны с надежностью и долговечностью работы техники, ее ремонтоспособностью, дешевизной и простотой обслуживания и т. д.

– Экономические критерии. Стоимость техники, стоимость единицы продукции, окупаемость, обеспечиваемый рост производительности труда и т. д.

– Социальные критерии. Эстетические, нравственные, влияние технической среды на человека и общество103.

Ю. С. Мелещенко указал и «…генеральную линию поступательного, восходящего развития всей техники, линию, которая прослеживается на протяжении всей истории этого развития. Ею является последовательная материализация трудовых функций человека в технических устройствах, что связано с движением от орудий техники к машинам и затем к автоматической технике, замещающей не только материальные, но также интеллектуальные трудовые функции человека. Знание этой генеральной линии технического прогресса дает общую перспективу, на основе которой, прежде всего, строится прогнозирование и планирование технического прогресса, научная техническая политика… курс на автоматизацию нельзя рассматривать в отрыве от принципиальных изменений всей системы техники, всех отраслей. Автоматизация является синтезирующим, обобщенным показателем технического развития в современных условиях, общим ориентиром технического прогресса»104.

Опишем систему законов техники, разработанную А. И. Половинкиным105. Он их разделяет на две группы: законы строения технических объектов и законы развития техники.

– Законы строения технических объектов

– Законы симметрии технических объектов.

– Закон двухсторонней симметрии.

– Закон осевой симметрии.

– Закон центральной симметрии.

– Законы корреляции параметров технических объектов.

– Закон гармонического соотношения параметров технического объекта.

– Закон корреляции параметров одного ряда технических объектов.

– Закон гомологических рядов технических объектов.

– Законы соответствия между функцией и структурой технического объекта.

– Законы развития техники

– Законы расширения множества потребностей-функций.

– Закономерности возникновения и сохранения потребностей-функций.

– Систематика потребностей и их иерархия.

– Расширение множества потребностей-функций.

– Закон стадийного развития технических объектов.

– Закон прогрессивной конструктивной эволюции технических объектов. – Закон возрастания разнообразия технических объектов

– Закон возрастания сложности технических объектов.

Закономерности эволюции антропогенных (искусственных) систем описал в своей монографии Е. М. Балашов106. Главное внимание он уделил техническим системам. Приведем основные из рассмотренных закономерностей:

– Сохранение основных функций развивающихся систем.

– Относительное и временное разрешение противоречий в антропогенных системах.

– Повышение функциональной и структурной целостности систем.

– Преемственность функционально-структурной организации многоуровневых систем.

– Адекватность функционально-структурной организации назначению системы.

– Сжатие этапов развития систем. Постепенное сжатие по временной оси диалектической спирали развития является общей закономерностью эволюции систем107.

Кроме того, Е. М. Балашов рассматривает:

– Принцип многофункциональности108.

– Методологию эволюционного синтеза систем109.

– Структурный синтез систем110.

Эволюционный синтез систем базируется на закономерностях развития антропогенных систем, используя функционально-структурный подход и создает проблемно-ориентированные системы. При этом используются принцип многофункциональности и структурный синтез систем. «Эволюционный синтез систем позволяет прогнозировать развитие проектируемых систем с позиций эволюции функций и эволюции технологий»111. «Процесс проектирования системы на основе концепции эволюционного синтеза является по существу процессом последовательного формирования и преобразования (трансформации) моделей функционально-структурной организации систем»112.

Принцип многофункциональности113 устанавливающий взаимосвязь изменений функций и структуры многоуровневых систем в процессе развития и определяющий основные тенденции и этапы развития антропогенных систем.

1.5. Работы по законам развития техники в ТРИЗ

1.5.1. Законы развития технических систем, сформулированные Г. С. Альтшуллером

Первая система законов развития техники в ТРИЗ была разработана ее автором Г. С. Альтшуллером в 1956 году. Первоначально она выглядела так114.

– Отдельные элементы машины, механизма, процесса всегда находятся в тесной взаимосвязи.

– Развитие происходит неравномерно: одни элементы обгоняют в своем развитии другие, отстающие.

– Планомерное развитие системы (машины, механизма, процесса) оказывается возможным до тех пор, пока не возникнут и не обострятся противоречия между более совершенными элементами системы и отстающими ее частями.

– Это противоречие является тормозом общего развития всей системы. Устранение возникшего противоречия и есть изобретение.

– Коренное изменение одной части системы вызывает необходимость для функционально обусловленных изменений в других ее частях.

Кроме того, в этой работе, практически был сформулирован закон полноты частей системы. «Между главными составными частями машины – рабочим органом, передаточным механизмом (трансмиссией) и двигателем – имеется определенное соотношение, ибо все эти части находятся в тесной взаимосвязи и взаимообусловленности. Наличие взаимосвязи между главными составными частями машины приводит к тому, что развитие той или иной части оказывается возможным только до определенного предела – пока не возникнут противоречия между измененной частью машины и оставшимися без изменений другими ее частями». И далее: «Противоречия, возникающие между отдельными частями машины, являются тормозом общего развития, ибо дальнейшее усовершенствование машины невозможно без внесения изменений в соответствующие ее части, без коренного улучшения их свойств».

В следующих работах Г. Альтшуллер описывает отдельные законы. Например, закон увеличения степени идеальности дан в виде понятия идеального конечного результата и следующей формулировки: «Максимум нового эффекта при минимуме затрат на реализацию»115.

В 1963 г. Г. Альтшуллер сформулировал следующие тенденции развития техники116:

– Увеличение параметров каждого единичного агрегата. Например, увеличение скорости самолета или грузоподъемности автомобиля.

– Увеличение удельных характеристик машин и процессов.

– Интенсификация производственных процессов (например, совмещение во времени нескольких этапов)

– «Динамизация» машин: машины с фиксированными характеристиками (вес, объем, форма и т. д.) вытесняются меняющимися в процессе работы машинами; «жесткие» конструкции вытесняются «гибкими». Это заметная тенденция в развитии современной техники – разделение машины на несколько гибко сочлененных секций.

В этой же работе описывается понятие «идеальная машина»117:

«Идеальная машина» — абстрактный эталон, в реальных условиях недостигаемый и отличающийся следующими обстоятельствами:

– Все части идеальной машины все время несут полезную расчетную нагрузку.

– Материал «идеальной машины» работает так, что его свойства используются наилучшим образом, например, металлические части работают только на растяжение, деревянные части – только на сжатие и т. д.

– Для каждой части «идеальной машины» созданы наиболее благоприятные внешние условия (температура, давление, характер движения внешней среды и т. д.).

– Если «идеальная машина» передвигается, то вес, объем и площадь полезного груза совпадают или почти совпадают с весом, объемом и площадью самой машины.

– «Идеальная машина» способна менять назначение (в пределах своей основной функции).

– Межремонтный период частей равен сроку службы всей «идеальной машины».

Сравнивая «идеальную машину» с идеей изобретения, можно судить об уровне, вообще достигнутом в данной отрасли техники, и о качестве найденной идеи.

В середине 70-х годов Г. Альтшуллер разработал другую систему законов, которая была описана в двух работах «Линии жизни» технических систем и «О законах развития технических систем», которые были распространены в школах ТРИЗ118. В дальнейшем они были опубликована в книге «Творчество как точная наука»119 и сборнике Дерзкие формулы творчества120. Законы были разбиты на три группы: статика, кинематика и динамика. Приведем эти законы.