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

Статика

1. Закон полноты частей системы

Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы являются наличие и минимальная работоспособность основных частей системы.

Каждая техническая система должна включать четыре основные части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и орган управления121.

Следствие из закона 1:

Чтобы система была управляемой, необходимо, чтобы хотя бы одна ее часть была управляемой.

2. Закон «энергетической проводимости» системы

Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является сквозной проход энергии по всем частям системы.

Следствие из закона 2:

Чтобы часть технической системы была управляемой, необходимо обеспечить энергетическую проводимость между этой частью и органами управления.

3. Закон согласования ритмики частей системы

Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является согласование ритмики (частоты колебаний, периодичности) всех частей системы.

Кинематика

4. Закон увеличения степени идеальности системы

Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.

5. Закон неравномерности развития частей системы

Развитие частей системы идет неравномерно; чем сложнее система, тем неравномернее развитие ее частей.

6. Закон перехода в надсистему

Исчерпав возможности развития, система включается в надсистему в качестве одной из частей; при этом дальнейшее развитие идет уже на уровне надсистемы.

Динамика

7. Закон перехода с макроуровня на микроуровень

Развитие рабочих органов системы идет сначала на макро-, а затем на микроуровне.

8. Закон увеличения степени вепольности

Развитие технических систем идет в направлении увеличения степени вепольности.122

Позже Г. Альтшуллер ввел закон увеличения степени динамичности, уточнил понятия законов перехода в надсистему и увеличения степени вепольности123, разработал линию увеличения пустотности124.

Закон увеличения степени динамичности Альтшуллер описал так:

«… для каждой системы неизбежен этап „динамизации“ – переход от жесткой, не меняющейся структуры к структуре гибкой, поддающейся управляемому изменению. … „Зрелые“ и „пожилые“ системы тоже динамизируются, что компенсирует увеличение их размеров». … «Вводят шарниры и упругие элементы, применяют пневмо- и гидроконструкции, используют вибрацию, фазовые переходы… Выбор способа динамизации зависит от конкретных обстоятельств, но сама динамизация – универсальный закон, определяющий направление развития всех технических систем, даже таких, которые по самой своей природе, казалось бы, должны оставаться жесткими»125. Практически это развитие тенденции, высказанной Г. Альтшуллером в 1963 г.

Механизмы закона перехода в надсистему126 Генрих Альтшуллер представил в виде перехода МОНО-БИ-ПОЛИ-СВЕРТЫВАНИЕ.

1. Эффективность синтезированных би-систем и поли-систем может быть повышена прежде всего развитием связей элементов в этих системах.

2. Эффективность би- и поли-систем может быть повышена увеличением различия между элементами системы: от однородных элементов к элементам со сдвинутыми характеристиками, а затем – к разнородным элементам и инверсным сочетаниям типа «элемент и анти-элемент».

Закон увеличения степени вепольности был представлен в виде «линия развития вепольных систем: от невеполей к простым веполям, затем к сложным веполям и далее к веполям, форсированным и комплексно форсированным»127.

Линия увеличения пустотности будут описана ниже (см. п. 7.5).

Линия перехода к капиллярно-пористому веществу была изложена в стандарте 2.2.3. Этот переход этот осуществляется по линии: «сплошное вещество – сплошное вещество с одной полостью – сплошное вещество со многими полостями (перфорированное вещество) – капиллярно-пористое вещество – капиллярно-пористое вещество с определенной структурой (и размерами) пор». По мере развития этой линии увеличивается возможность размещения в полостях-порах жидкого вещества и использования физических эффектов.

1.5.2. Законы развития технических систем, сформулированные другими авторами

Законы формулировались и усовершенствовались и другими авторами. Отметим некоторые из работ.

– Закон увеличения степени идеальности: В. Петров128, Ю. Саламатов и И. Кондраков129, Э. Каган130, В. Фей131, В. Митрофанов132, Г. Иванов133, А. Любомирский134.

– Закон увеличения степени динамичности – И. Кондраков135.

Подзаконы динамичности:

а) увеличения пустотности — Г. Альтшуллер и И. Верткин136;

б) увеличение степени дробления – В. Петров137;

в) цепочка развития капиллярно-пористых материалов (КПМ)

Г. Альтшуллер138, И. Рябкин139, Ю. Саламатов140, В. Петров141.

– Закон сквозного прохода энергии – Г. Иванов142.

– Закон согласования технических систем разрабатывали: С. Литвин143, Б. Злотин и А. Зусман144, В. Петров и Э. Злотина145.

– Модификацию закона перехода в надсистему осуществили:

С. Литвин и В. Герасимов146, Г. Френклах и Г. Езерский147, А. Пиняев148.

– Закон увеличения степени вепольности – В. Петров149.

– Закон идеальности механизмов свертывания: С. Литвин и

В. Герасимов150, В. Дубров151.

– Закономерность точка – линия – объем В. Петров152, А. Любомирский153.

– Системный анализ, системные исследования, теория систем – В. Петров154, А. А. Быстрицкий155.

– Использование законов при проведении ФСА – С. Литвин и

В. Герасимов156.

С 1965 г. В. Петров изучал и использовал на практике теорию автоматического управления и кибернетику, а с 1968 г. – теорию систем, системные исследования, системный анализ и системный подход. Исследования в основном проводились с целью создания новых систем автоматического управления и контроля для различных объектов157.

Исследования развития техники автор начал в 1972 г. с анализа работ в этой области158.

Указанные и другие работы послужили фундаментом для разработки законов развития технических систем. Эти исследования автор ведет с 1973 года. Первоначально была сделана попытка перенести законы диалектики (единство и борьбы противоположностей, перехода количественных изменений в качественные и отрицания отрицания)159 на развитие техники.

В 1973 году по аналогии с приемами разрешения технических противоречий, разработанных Г. С. Альтшуллером160, автор решил разработать несколько тенденций: дробление (прием 1. Принцип дробление), управление весом (прием 8. Принцип антивеса) и переход от точки к линии, плоскости и объему (прием 17. Принцип перехода в другое измерение и прием 7. Принцип «Матрешки»). Эти работы обсуждались с Г. Альтшуллером.

Первоначально тенденцию дробления автор описал как переход от монолитного твердого объекта к гибкому, затем к раздробленному объекту вплоть до порошка, далее к гелю, жидкости, газу и к полю161.

Цепочку управления весом (позже автор назвал ее «гравиполи») первоначально автор представил в виде: использование силы Архимеда в газе и жидкости, крыло и набегающий поток, магнитное и электрическое поля162.

Переход от точки к линии, плоскости и объему первоначально автор описал так: переход от точки к линии в плоскости, линии в пространстве, плоскости, использование обратной стороны плоскости, лента Мебиуса, переход к объему, использование внутреннего объема (принцип матрешки)163.

В этот период наиболее сильные теоретические работы по законам развития технических систем, кроме Г. Альтшуллера, были сделаны Б. Голдовским164, который рассмотрел понятия и механизмы по узловому компоненту, противоречиям и оператору отрицания и ввел понятие главной полезной функции системы (ГПФ).

Одной из первых разработок В. Петрова в ТРИЗ была цепочка дробления165, которая описывала постепенный переход (замену) исполнительного органа (теперь он называется рабочим органом) от монолитного твердого вещества к гибкому (эластичному) объекту, к разделению объекта на отдельные части, связанные между собой связями, которые меняются от жестких к гибким и исчезают совсем, не связанные части или связанные с помощью какого-либо поля, например, магнитного, части постепенно измельчаются, превращаясь в мелкодисперсный порошок – порошкообразный объект, постепенно переходя к гелю – пастообразному веществу, затем изменяется степень вязкости вещества до получения жидкости, далее изменяется степень связанности жидкости, используя более легкие и летучие жидкости и аэрозоли, содержание газа в аэрозоле увеличивается, и таким образом происходит переход к газу, постепенно используя все более легкий газ и изменяя степень разряжения вплоть до образования вакуума, вакуум делают все более глубоким, последний переход к полю, в частности используется плазма. Эта цепочка совершенствовалась и к середине 70-х она имела вид, используемый автором и сегодня166. В начале 80-х к этой цепочке автор присоединил цепочку капиллярно-пористых материалов.

В 1979 г. Б. Злотин написал работу «анализ процессов»167, где он описал закономерности развития процессов и механизмы его исполнения.

Детальнее опишем историю формулировки закона согласования.

Впервые закон согласования был сформулирован Г. Альтшуллером в начале 70-х годов в виде закона согласования ритмики частей системы168. Этот закон является частным случаем закона согласования, который был сформулирован позже.

Наибольший вклад в развитие этого закона (насколько это известно автору) внесли представители Ленинградской школы ТРИЗ. Основные идеи этого закона были предложены Б. Злотиным, Э. Злотиной, С. Литвиным и В. Петровым в 1975—1980 гг. Этот закон и многие другие направления ТРИЗ неоднократно обсуждались в этом коллективе. Были выработаны общие подходы, например, что понятие этого закона должно быть значительно расширено, но, тем не менее, каждый имел и свой взгляд на этот закон.

Например, понятие «согласование-рассогласование» предложила Э. Злотина. Первоначально эта закономерность разрабатывалась совместно Б. Злотиным и Э. Злотиной, а в дальнейшем Б. Злотиным и А. Зусман.

С. Литвин рассматривал четыре вида согласования169.

1. Компонентное согласование материалов, веществ.

2. Структурное – согласование размеров, форм, структуры.

3. Параметрическое – согласование основных параметров технических систем: температур, весов, давлений, плотностей, электрических сопротивлений и т. д.

4. Функциональное – согласование основных функций.

Кроме того, С. Литвин рассматривает:

1. Согласование подсистем одной ТС.

2. Согласование ТС и внешней среды.

3. Согласование изделия и инструмента.

4. Согласование инструментов между собой.

5. Согласование изделий между собой.

Б. Злотин рассматривает различные виды согласования-рассогласования170 (разбивка по пунктам и группировка осуществлена В. Петровым).

1. Согласование—рассогласование параметров.

1.1. Прямое и обратное.

1.2. Однородное и неоднородное.

1.3. Внутреннее и внешнее.

2. Согласование—рассогласование систем:

2.1. Непосредственное.

2.2. Условное.

3. Согласование—рассогласование материалов.

4. Согласование—рассогласование форм и размеров.

5. Согласование—рассогласование ритмики работы.

6. Согласование—рассогласование структуры.

7. Согласование—рассогласование потоков в системах.

8. Согласование—рассогласование живучести системы.

Кроме того, Б. Злотин рассматривает линии развития ТС по согласованию-рассогласованию:

1. Несогласованная система → Согласованная система → Рассогласованная система → Система с динамическим согласованием-рассогласованием.

2. Виды согласования:

Несогласованная система → Система с принудительным согласованием → Система с буферным согласованием → Система со свернутым согласованием.

3. Согласование ритмики рабочих движений при обработке:

Несовместимость транспортного и технологического движений → Совместимость транспортного и технологического движений с согласованием скоростей → Совместимость транспортного и технологического движений с рассогласованием скоростей → Независимость технологии от транспортного движения.

Закон согласования, сформулированный В. Петровым в 1975—1978171, имеет следующую структуру:

1. Согласование может быть:

1.1. Статическое.

1.2. Динамическое.

– Согласование проводится по уровням:

2.1. Потребностей.

2.2. Функций.

2.3. Систем.

– Виды согласования:

3.1. Во времени.

3.2. В пространстве.

3.3. В структуре.

3.4. По условиям.

3.5. Параметров.

К согласованию во времени, в частности относится согласование процессов и потоков.

Согласование потребностей может проводиться:

– по самим потребностям (согласование потребностей между собой);

– по параметрам;

– по структуре;

– по условиям;

– в пространстве;

– во времени.

В частности, может быть динамическое согласование.

Под согласованием потребностей понимается и их специальное рассогласование (максимальное увеличение разницы между потребностями).

Согласование функций может осуществляться:

– во времени;

– в пространстве;

– по условиям.

В частности, может быть динамическое согласование.

На уровне систем согласование проводится между:

– системами;

– подсистемами;

– надсистемами;

– подсистемами с системой и надсистемой;

– системы с надсистемой и внешней средой;

– обратное согласование или рассогласование надсистемы и окружающей среды с системой и подсистемами.

При согласовании систем, прежде всего, необходимо согласовать ее структуру. К структуре, в частности, относятся форма, расположение отдельных элементов и их взаимодействие.

Структура системы определяется элементами и связями. Они могут быть:

– вещественные;

– энергетические;

– информационные.

Системные понятия структуры, ее элементов и связей, и их видов (вещество, энергия, информация) относятся так же к подсистемам, надсистеме и внешней среде.

Параметры могут быть:

– технические;

– эргономические;

– экономические;

– экологические;

– эстетические;

– социальные;

– политические и т. д.

К техническим параметрам относятся не только сугубо технические, но и физические, химические, математические, параметры надежности, т. е. все параметры, относящиеся к работоспособности системы. В частности, в качестве технических параметров могут рассматриваться частоты и ритмика. Таким образом, согласование ритмики частей системы относится к одному из видов параметрического согласования.

В общем случае согласование проводится по всем указанным выше структурным направлениям. Оно представляет собой комбинацию этих структурных направлений и поднаправлений закона согласования.

Согласование должно осуществляться по сложной морфологической структуре, в виде морфологической матрицы с подматрицами. Своего рода сочетание древовидного графа структуры и перебора всех вариантов на каждом из уровней графа в виде морфологической матрицы.

Разработкой системы законов, по нашим данным, занимались

Б. Злотин и А. Зусман172, Ю. Саламатов173, В. Петров и Э. Злотина174, С. Литвин и А. Любомирский, Г. Иванов175, А. Захаров176, И. Девойно177 и М. Рубин178.

Опишем наиболее полные и существенные, на наш взгляд, системы.

Система законов Б. Злотина и А. Зусман179 содержала новые законы, например, «развертывание-свертывание», «согласование-рассогласование», «увеличение использования ресурсов», и механизмы выполнения каждого из законов (линии развития технических систем – всего 22 линии)180.

1. Эволюция ТС.

Создание системы → 1 этап развития → 2 этап развития → 3 этап развития → создание новой системы.

2. Вытеснение человека из ТС.

Исходная система → вытеснение человека как индивида, при сохранении принципа действия → вытеснение человеческого принципа действия, замена его машинным.

Вытеснение на одном уровне

Исходная система → вытеснение из исполнительных органов → вытеснение из преобразователя → вытеснение из источника.

Вытеснение между уровнями

Исходная система → вытеснение с исполнительного уровня → вытеснение с уровня управления → вытеснение с информационного уровня.

3. Увеличение степени идеальности ТС.

Исходная система → совершенствование в рамках существующей концепции → переход к принципиально новой системе.

4. Развертывание-свертывание ТС.

Развертывание:

Создание функционального центра → включение дополнительных подсистем: повышение уровня иерархии путем дробления или повышение уровня иерархии путем перехода к надсистеме → переход к ретикулярной системе.

Свертывание

Минимальное свертывание → частичное свертывание → полное свертывание.

5. Повышение динамичности и управляемости ТС.

Переход к мультифункциональности:

Нединамическая система → система со сменными рабочими органами → система с программным принципом осуществления функций → система с изменяемыми рабочими органами.

Увеличение числа степеней свободы

Нединамическая система → система, изменяющаяся механически: шарниры, механизмы, гибкие материалы и т. п. → система, изменяющаяся на микроуровне: фазовые переходы, хим. превращения и т. п. → система с изменяющимися полями.

Повышение управляемости

Неуправляемая система → система с принудительным управлением → система с самоуправлением.

Изменение степени управляемости

Статическая система → система с несколькими устойчивыми состояниями (мультиустойчивая) → динамически устойчивая система → неустойчивая система.

6. Переход на микроуровень и к использованию полей.

Переход на микроуровень:

Макроуровень → подсистема из деталей обобщенной формы → полисистема из высокодисперсных элементов → система на надмолекулярном уровне → система на молекулярном уровне (химия) → система на атомном уровне → система с использованием полей.

Переход к высокоэффективным полям:

Механические поля (М) → термомеханические (ТМ) → тепловое поле (Т) → термохимические (ТХ) → химические взаимодействия (Х) → электрохимические (ХЭ) → электрические поля (Э) → электромагнитные (ЭМ) → магнитные поля (М).

Повышение эффективности действия полям:

Поле постоянное → поле обратного знака, сочетание противоположно направленных полей (±) → переменное поле (резонанс, стоячие волны и т. п.) → импульсное градиентное поле → суммарное действие разных полей.

7. Согласование – рассогласование ТС.

Несогласованная система → согласованная система → рассогласованная система → система с динамическим согласованием-рассогласованием.

Виды согласования

Несогласованная система → система с принудительным согласованием → система с буферным согласованием → система со свернутым согласованием.

Согласование взаимодействия инструмента с изделием

Действие по точкам → действие по линиям → действие по поверхности → действие по объему.

Согласование ритмики рабочих движений при обработке

Несовместимость транспортного и технологического движений → совместимость транспортного и технологического движений с согласованием скоростей → совместимость транспортного и технологического движений с рассогласованием скоростей → независимость и технологии от транспортного движения.

8. Дробление ТС.

Сплошной объект → объект с частичными внутренними перегородками → объект с полыми перегородками → объект с частичным отделением отсеков → объект с конструкцией типа штанги → объект с частичным, связанными полями → объект со структурной связью → объект с программной связью частей → система с нулевой связью частей.

9. Переход на микроуровень и к использованию полей.

Топливо:

Макроуровень → подсистема из деталей обобщенной формы → полисистема из высокодисперсных элементов → система на надмолекулярном уровне → система на молекулярном уровне (химия) → система на атомном уровне → система с использованием полей.