3.1. Общее определение ТС

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

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

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

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

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

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

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

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

3.2. Функциональность

3.2.1. Цель - функция

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

3.2.2. Потребность - функция

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

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

3.2.3. Носитель функции

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

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

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

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

3.2.4. Определение функции

Функционирование это изменение свойств, характеристик и качеств системы в пространстве и времени. Функция - это способность ТС проявлять свое свойство (качество, полезность) при определенных условиях и преобразовывать предмет труда (изделие) в требуемую форму или величину . Для определения функции необходимо ответить на вопрос: что делает эта ТС? (для существующих ТС), или: что должна делать ТС? (для синтезируемых ТС).

3.2.5. Иерархия функций

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

Пример: иерархия функций кирпича.

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

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

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

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

Пример . Определить ГПФ калорифера.

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

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

Можно спуститься вниз по иерархии:

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

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

3.3. Структура

3.3.1. Определение структуры

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

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

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

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

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

3.3.2. Элемент структуры

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

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

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

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

3.3.3. Типы структур

Выделим несколько наиболее характерных для техники структур:

1. Корпускулярная.
   Состоит из одинаковых элементов, слабосвязанных между собой; исчезновение части элементов почти не отражается на функции системы. Примеры: эскадра кораблей, песчаный фильтр.
2. "Кирпичная".
   Состоит из одинаковых жестко связанных между собой элементов. Примеры: стена, арка, мост.
3. Цепная.
   Состоит из однотипных шарнирносвязанных элементов. Примеры: гусеница, поезд.
4. Сетевая.
   Состоит из разнотипных элементов, связанных между собой непосредственно, или транзитом через другие, или через центральный (узловой) элемент (звездная структура). Примеры: телефонная сеть, телевидение, библиотека, система теплоснабжения.
5. Многосвязная.
   Включает множество перекрестных связей в сетевой модели.
6. Иерархическая.

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

По типу развития во времени структуры бывают:

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

3.3.4. Принципы построения структуры

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

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

Формирование структуры - основа синтеза системы.

Некоторые принципы формирования структуры:

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

Принцип функциональности отражает примат функции над структурой. Структура обуславливается предыдущим выбором: Выбор принципа действия однозначно определяет структуру, поэтому их надо рассматривать вместе. Принцип действия (структура) - это отражение цели-функции. По выбранному принципу действия следует составить функциональную схему (возможно в вепольной форме).

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

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

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

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

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

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

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

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

1. Формулируется ГПФ.
2. Определяется физический принцип действия рабочего органа на изделие.
3. Отбирается или синтезируется РО.
4. К рабочему органу "пристраиваются" трансмиссия, двигатель, источник энергии, орган управления.
5. Строится в первом приближении функциональная схема:Выявляются недостатки и возможные сбои в схеме. Разрабатываются более подробные схемы, с учетом иерархии подсистем. Подсистемы недостаточно хорошо выполняющие функции достраиваются новыми элементами.

Например:

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

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

Наиболее радикальный путь - идеализация ТС.

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

3.3.5. Форма

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

Основные требования к форме:

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

эстетические (дизайн, красота, "приятность", "теплота"...).

3.3.6. Иерархическая структура систем

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

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

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

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

Таблица 1

Основные свойства иерархических систем

1. Двойственность качеств элементов в системе - элемент одновременно обладает индивидуальными и системными качествами.
   Входя в систему элемент теряет свое исходное качество. Системное качество как бы забивает проявление собственных качеств элементов. Но полностью это не происходит никогда. Химические соединения имеют системные физико-химические свойства, но также и сохраняют свойства входящих в них элементов. На этом основаны все методы анализа состава соединений (спектральный, ЯМ, рентгеновский и т. д.). Чем сложнее иерархическая структура (организация) системы, тем выше ее индивидуальные качества, тем четче они выступают в надсистеме, тем менее она связана с другими элементами (системами) надсистемы. На более низких уровнях происходит упрощение элементов (системам не нужны "сложные" вещи, нужна простая полезная функция). В результате этого вещи утрачивают свою самобытность, конкретную индивидуальность, становятся безразличными к своей вещественной индивидуальной форме.
   Утрата индивидуальности - это цена, "заплаченная" элементами за приобретенную ими способность выражать отдельные стороны системных связей в иерархии. (Как в обществе: человек на производстве не субъект, не неповторимая индивидуальность, не творец своих обстоятельств, он функция, объект, вещь ).
   Это свойство иерархических систем является причиной распространенного вида психинерции изобретателя: он видит одно (главное, системное) свойство элемента и не видит множества его прежних индивидуальных свойств.
2. Диктат верхних уровней над нижними - основной порядок иерархии (аналог в обществе: единоначалие, авторитарное руководство).
   Самый нижний уровень иерархии - рабочий орган или его рабочая часть, зона, поверхность (в каждой подсистеме свой рабочий орган). Поэтому все управляющие воздействия (сигналы) и энергия обязательно доходят до рабочего органа, заставляя его функционировать строго определенным образом. В этом смысле РО самый подчиненный элемент системы. Напомним, что его роль при синтезе ТС прямо противоположна: он диктует структуру для выполнения ГПФ.
   Часто диктат верхних уровней простирается еще ниже рабочего органа; что находится ниже РО? - изделие. Технические системы ("для своего удобства") диктуют какие должны быть изделия. Это "стремление" техники изменить окружающую среду "под себя" ошибочно, оно свойственно лишь современной, во многом неуклюжей и грубой, техники. Особенно четко видно несоответствие (несогласованность) технических систем ("правильных", "стандартных") с природными объектами ("неправильными"), с ремесленно-художественными изделиями человека.
   Примеры.
   Главная полезная функция железнодорожного транспорта - объем перевозок. Поэтому во многих странах ведутся исследования по выведению квадратных помидоров (Болгария), арбузов (Япония), картофеля, моркови, свеклы, огурцов и ананасов ("Знание - сила", 1983, № 12, с. 32). Кубические овощи и фруктов легче упаковывать и перевозить.
   В США выпускается яичная "колбаса". Яйца разбиваются, центрифугированием отделяют белок от желтка, формируют при замораживании "колбасу" (в центре желток), если нужна яичница - отрезай ломтик. С точки зрения повышения ГПФ (транспортировки яиц) задача решена.
   А.с. 1 132 905: (БИ, 1985, № 1). Способ подготовки картофеля, овощей и плодов к тепловой обработке: картофель режут, сдвигают и срезают кожуру снизу; затем поворачивают на 180 град., выравнивают и срезают снизу, и т.д. до тех пор, пока не очистят всю картофелину.
   Из французского юмора ("Изобретатель и рационализатор", 1984, № 8, 3 с. обложки): "Хочу предложить вашей фирме свое последнее изобретение. Это автомат для бритья. Клиент опускает несколько монет, просовывает голову в отверстие и две бритвы автоматически начинают брить его.
   - Но ведь у каждого человека индивидуальное строение лица...- В первый раз - да!"
3. Нечувствительность верхних этажей к изменениям на нижних и наоборот, чувствительность нижних к изменениям на верхних.
   Изменения на уровнях веществ и подсистем низшего ранга не отражаются на системном свойстве (качестве) ТС-НС высших рангов.
   Пример.
   Принцип телевидения был воплощен уже в первых механических системах. Новое системное свойство (передача изображения на расстояние) принципиально не изменилось при переходе на ламповые, транзисторные, микромодульные элементы. Увеличивалась ГПФ, но системное свойство принципиально не менялось. Главное для надсистемы - выполнение подсистемами своих функций, а на каких материалах и физических принципах - безразлично. Это положение имеет важное следствие для изобретательства. Допустим, возникла задача обеспечения эффективного теплоотвода от работающего трансформатора в ламповом телевизоре (потребляемая мощность 400 Вт). Изобретатель может долго и различными путями искать способ теплоотвода, придумывать новые подсистемы, увеличивать установочную мощность трансформатора для снижения температуры нагрева и т.д. Однако, если подняться на этаж выше (блок питания), то задача может быть решена совершенно иным способом (например, импульсный режим питания), а при изменении на верхнем этаже (например, замена ламповой схемы на транзисторную) может вообще исключить эту задачу - в ней просто отпадет необходимость (мощность снизится, допустим, до 100 Вт).
4. Отфильтровывание (выделение) полезных функций на уровнях иерархии. Правильно организованная иерархическая структура выделяет на каждом этаже полезную функцию, эти функции складываются (взаимоусиливаются) на следующем этаже; при этом вредные функции на каждом этаже подавляются или, по крайней мере, к ним не добавляются новые.

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

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

3.4. Организация

3.4.1. Общее понятие

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

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

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

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

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

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

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

3.4.2. Связи

Связь - это отношение между элементами системы.

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

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

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

а также градиенты давления, магнитного поля, плотности и т.д.

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

Связи в системе могут быть:

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

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

Основные виды связей в технических системах:

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

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

В системе из трех элементов появляется еще более сильное качество.

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

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

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

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

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

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

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

3.4.3. Управление

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

3.4.4. Факторы разрушающие организацию.

К таким факторам относятся три группы вредных воздействий:

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

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

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

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

3.4.5. Значение эксперимента в процессе улучшения организации

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

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

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

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

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

3.5. Системный эффект (качество)

3.5.1. Свойства в системе

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

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

Правильнее различать два вида системных прибавок:

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

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

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

Пример появления системного эффекта.

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

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

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

3.5.2. Механизм образования системных свойств

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

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

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

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

• положительные свойства складываются, взаимоусиливаются, отрицательные остаются неизменными (цепь, пружина);
• положительные свойства складываются, а отрицательные взаимно уничтожаются (два солдата, прижавшись спинами, образуют круговую оборону, вредные "спинные" свойства исчезли);

к сумме положительных свойств добавляются обращенные отрицательные свойства (вред, обращенный в пользу).

Техническая система (ТС) - это структура, образованная взаимосвязанными элементами, предназначенная для выполнения определенных полезных функций. Функция - это способность ТС проявлять свое свойство (качество, полезность) при определенных условиях и преобразовывать предмет труда (изделие) в требуемую форму или величину Появление цели - это результат осознания потребности. Потребность (постановка задачи) - это то, что нужно иметь (сделать), а функция - реализация потребности в ТС. Возникновение потребностей, осознание цели и формулирование функции - это процессы, происходящие внутри человека. Но реально действующая функция - это воздействие на предмет труда (изделие) или служение человеку. То есть, не хватает промежуточного звена - рабочего органа. Это и есть носитель функции в чистом виде. Рабочий орган (РО) - единственная функционально полезная человеку часть технической системы. Все остальные части вспомогательные. ТС и возникали на первых этапах как рабочие органы (взамен органов тела и в дополнение им). И только потом, для увеличения полезной функции. к рабочему органу "пристраивались" другие части, подсистемы, вспомогательные системы.

Рисунок 1. Полная принципиальная схема работающей ТС.
Пунктиром обведен состав минимальной работоспособной ТС, обеспечивающий ее жизнеспособность.

Соединение элементов в единое целое нужно для получения (образования, синтеза) полезной функции, т.е. для достижения поставленной цели. Составление структуры - это программирование системы, задание поведения ТС с целью получения в результате полезной функции. Требуемая функция и выбранный физический принцип ее осуществления определяют структуру. Структура - это совокупность элементов и связей между ними, которые определяются физическим принципом осуществления требуемой полезной функции. Структура, как правило, остается неизменной в процессе функционирования, то есть при изменении состояния, поведения, совершения операций и любых других действий. Следует различать два вида системных прибавок, получаемых при соединении элементов в структуру:
- системный эффект - непропорционально большое усиление (уменьшение) свойств, имеющихся у элементов,
- системное качество - появление нового свойства, которого не было ни у одного из элементов до включения их в систему.

Каждая ТС может выполнять несколько функций, из которых только одна рабочая, ради которой она и существует, остальные - вспомогательные, сопутствующие, облегчающие выполнение главной. Определение главной полезной функции (ГПФ) иногда вызывает затруднение. Это объясняется множественностью требований, предъявляемых к данной системе со стороны выше и ниже лежащих систем, а также соседних, внешних и прочих систем. Отсюда кажущаяся бесконечность определений ГПФ (принципиальная неохватность всех свойств и связей). С учетом иерархичности функций, ГПФ данной системы - это выполнение требований первой вышестоящей системы. Все остальные требования, по мере удаления от иерархического уровня, от которого они исходят, оказывают все меньшее влияние на данную систему. Эти над и подсистемные требования могут быть выполнены и другими веществами и системами, не обязательно данной системой. То есть, ГПФ элемента определяется той системой, в которую он включается.

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

Элемент - относительно целая часть системы, обладающая некоторыми свойствами неисчезающими при отделении от системы. Однако в системе свойства элемента не равны свойствам отдельно взятого элемента. Сумма свойств элемента в системе может быть больше или меньше суммы его свойств вне системы. Иначе говоря, часть свойств элемента, включаемого в систему, гасится или к элементу добавляются новые свойства. В подавляющем большинстве случаев часть свойств элемента нейтрализуется в системе, в зависимости от величины этой части говорят о степени потери индивидуальности элемента включенного в систему. Элемент - минимальная единица системы, способная к выполнению некоторой элементарной функции. Все технические системы начинались с одного элемента, предназначенного для выполнения одной элементарной функции. Затем, по мере развития ТС идет дифференциация элемента, то есть разделение элемента на зоны с разными свойствами. Из моноструктуры элемента (камень, палка) начинают выделяться другие элементы. Например, при превращении каменного резца в нож выделились рабочая зона и зона ручки, а затем усиление специфических свойств каждой зоны потребовало применение разных материалов (составные инструменты). Из рабочего органа выделилась и развилась трансмиссия.

Связь - это отношение между элементами системы, это реальный физический (вещественный или полевой) канал для передачи энергии, вещества или информационных сигналов; причем сигналов нематериальных не бывает, это всегда энергия или вещество. Главное условие работы связи - "разность потенциалов" между элементами, то есть градиент поля или вещества (отклонение от термодинамического равновесия - принцип Онзагера). При градиенте возникает движущая сила, вызывающая поток энергии или вещества. Основные характеристики связи: физическая реализация и мощность. Физическая реализация - это вид вещества или поля, используемого в связи. Мощность - интенсивность потока вещества или энергии. Мощность связи должна быть больше мощности внесистемных связей, выше уровня шума внешней среды.

Иерархический принцип организации структуры возможен только в многоуровневых системах (это большой класс современных технических систем) и заключается в упорядочении взаимодействий между уровнями в порядке от высшего к нижнему. Каждый уровень выступает как управляющий по отношению ко всем нижележащим и как управляемый, подчиненный, по отношению к вышележащему. Каждый уровень специализируется также на выполнении определенной функции (ГПФ уровня). Абсолютно жестких иерархий не бывает, часть систем нижних уровней обладает меньшей или большей автономией по отношению к вышележащим уровням. В пределах уровня отношения элементов взаимно дополняют друг друга, им присущи черты самоорганизации (это закладывается при формировании структуры). Возникновение и развитие иерархических структур не случайно, так как это единственный путь увеличения эффективности, надежности и устойчивости в системах средней и высокой сложности. В простых системах иерархия не требуется, так как взаимодействие осуществляется по непосредственным связям между элементами. В сложных системах непосредственные взаимодействия между всеми элементами невозможны (требуется слишком много связей), поэтому непосредственные контакты сохраняются лишь между элементами одного уровня, а связи между уровнями резко сокращаются.

Виды описаний технических систем.

Как указывалось более высокое, для того, чтобы получить наиболее полное описание сложной технической системы, его необходимо производить из разных позиций. Из множества аспектов описаний целесообразно выделить пять основных и наиболее потребляемых, а именно:

1) конструкционное, 2) функциональное, 3) кибернетическое, 4) временное и

5) технологическое.

Остальные аспекты, например экономический, эстетичный, эргономичный и другие, могут использоваться для составления описаний, которые имеют специальное назначение.

В соответствии с вышеупомянутыми аспектами выделим пять основных видов описаний (рис. 1.4) и рассмотрим их особенности.

Конструкционное описание должно давать представление о строении (структуре) системы, ее форме (конфигурации), материалах, из которых изготовляются части системы, веществах, используемых как рабочие тела (рис. 1.5).

Структура сложной системы, что рассматривается при конструкционном описании, есть, как правило, иерархической по составу; при этом связи, используемые для описания структуры, характеризуют взаимное положение подсистем, а также их принадлежность к тому или другому уровню иерархии. Разбивка системы на уровне может производиться исходя из конструктивных или технологических рассуждений. Например, до одного уровня могут принадлежать все агрегаты двигателя, к другому - сборочные единицы, к третьему - детали.

Основным традиционным способом описания формы (конфигурации) технических систем является использование эскизов, чертежей, словесных описаний. Создание автоматизированных систем проектирования затребовало разработку специальных языков и методов цифрового описания форм разных геометрических поверхностей, взаимного положения элементов конструкций и т. п., пригодных для введения информации в ЭВМ.

Методы конструкционного описания систем обычно стандартизируют в той или другой форме. Стандартизация осуществляется в рамках Единственной системы конструкторской документации (ЕСКД.)

Конструкционное описание не дает представления о свойствах системы в процессе тех работ, для выполнения которых она должна использоваться . Для этих целей необходимое функциональное описание , которое состоит из описаний последовательности состояний системы под воздействием надсистем (или внешней среды) и описаний процессов, которые определяют эти состояния .

Основным способом описания процессов, которые имеют место в системе, есть их разложение на элементарные, например процессы масо и теплообмена, превращения энергии в соответствии с физическими законами. Это внутренний способ функционального описания. Внешним способом является представление процессов либо в виде семейства характеристик функционирования, либо в виде совокупности численных значений параметров системы, соответствующих одному ее состоянию. Характеристиками функционирования называются зависимости численных значений параметров системы от показателей, которые определяют ее состояние в процессе функционирования . Скоростные характеристики нагрузок двигателя - типичный пример характеристик его функционирования.

В общем случае состояние системы в заданный момент времени t определяется параметрами, которые характеризуют ее внешние связи, начальное состояние при t = t0, а также отрезком времени D t = t – t0 .

Состояние двигателя в процессе его функционирования обычно называют режимом работы. Двигатели могут работать в разных режимах:

стационарному (постоянному),

нестационарному (переходному), вынужденного вращения и др.

Для стационарных режимов работы состояние двигателя определяется параметрами, которые характеризуют состояние рабочих тел: воздуха, топлива, масла и воды (при водяном охлаждении) - на входе и внешней среды - на выходе из двигателя, а также параметрами, которые определяют состояние потребителя энергии (привычно это мощность и частота вращения коленчатого вала). Для нестационарных режимов состояние двигателя определяется дополнительно параметрами, что характеризуют начало и время переходного процесса.

Знание характеристик функционирования необходимо для исследования систем, для прогноза их поведения в разных ситуациях, а также для сравнения систем между собой . В частности, сравнение с системой, принятой за эталон, нередко используется для определения степени кондиционности исследуемой системы.

Для осуществления функционального описания какой-либо подсистемы необходимо выделить ее из системы, задав внешние связи, и определить ее состояние. Структура функционального описания ее как информационной системы обычно носит иерархический характер. Возможное наличие всех трех видов иерархий:

по управлению, составлю глубине описания.

Число уровней иерархии зависит от целей, для осуществления которых складывается описание, и объема наших знаний о системе.

На рис. 1.6 представленный фрагмент структуры функционального описания системы.

В связи с тем, что особенности функционирования технических систем во многом определяются законами и средствами управления ими, целесообразно выделить отдельный аспект описанию - кибернетический, целью которого является выявление структуры управления, а также характеристик функционирования системы в процессе управления.

Управление системой может быть внешним - со стороны надсистеми, внутренним - за счет одной из подсистем, несущей функции

управление, или комбинированным - со стороны надсистем с использованием подсистемы управления. Системы, которые имеют внутреннее управление, получили название автоматических.

В общем случае можно выделить четыре ровные иерархии по управлению (рис. 1.8). На самом нижнем уровне иерархии находится так называемое прямое управление, осуществляемое для поддержки в стабилизированном состоянии заданного режима работы системы. Система управления, соответствующая следующему уровню иерархии, позволяет анализировать состояние управляемой системы при изменении действий на нее, например, со стороны внешней среды, находить оптимальное управление в соответствии с заданным алгоритмом управления и реализовать его с помощью соответствующих регуляторов и исполнительных механизмов. Это - система оптимального управления. На высшем уровне находится система адаптивного управления, позволяя автоматически в процессе управления вносить коррективы в алгоритм оптимального управления.

И, наконец, при необходимости управления несколькими системами возможное использование комплексного управления, особенностью которого является наличие дополнительных функций взаимной координации работы управляемых систем.

Очевидно, что техническую систему, в структуре системы управления которой есть уровни оптимального адаптивного и иногда комплексного управлений, можно считать кибернетической.

Способы построения характеристик функционирования объектов в процессе управления имеют многих общего со способами построения характеристик функционирования при функциональном описании систем, поэтому на этом мы не будем останавливаться отдельно.

Можно считать, что всякая техническая система в соответствии с признаком изменчивости склонна к законам развития, определяемых общими законами технического прогресса. "Развитие систем, сопровождаемое изменением их свойств, структуры, сферы применения и др., должно отображаться времени им описанием. С помощью временного описания можно проследить все стадии развития, например, дизельных двигателей от первого, построенного Г. Дизелем, к современным. Необходимость временного описания становится особенно острой при прогностических исследованиях.

Временное описание системы может быть также привязано ко всем этапам ее создания (рис. 1.9). В этом случае оно может использоваться для целей планирования, определения сроков модернизации систем, изменения базовых моделей и др.

Для того, чтобы систему изготовить, необходимо не только конструкционное, но и технологическое описание . Строго говоря, технологическое описание является описанием только данной технической системы, это, прежде всего описание результатов функционирования производственной системы, в пределах которой данная система изготовляется. Но если учесть, что в большинстве случаев конструкция технической системы и особенности ее функционирования определяются технологией производства, становится очевидной необходимость включения технологического описания в круг аспектов описания систем.

Технологическое описание должно включать описание технологических операций обработки материалов, из которых изготовляется система, технологии испытаний подсистем и всей системы и т.д. Технологическое описание должно выполняться в соответствии с Единственной системой технологической документации (ЕСТД).

Лекция 3. Показатели качества системы .

Использование в полном объеме средств конструкционного, функционального, кибернетического и других видов описаний, как правило, малоудобно для целей контроля и управления системами, а также для сравнения последних между собой. В связи с этим возникла необходимость применения более компактной формы описания систем в виде совокупности численных значений параметров, определенных для какого-либо одного (например, номинального) или нескольких состояний системы.

Число параметров сложной системы, характеризуя ее свойства, может быть достаточно большое, в принципе бесконечно. Вместе с тем можно выделить существенно меньшую группу важнейших из них, с достаточной полнотой характеризуя способность системы обеспечивать свойства тех надсистем, в состав которых она входит. Представители этой группы параметров получили название показателей качества.

Все множество показателей качества можно разделить на:

1) показатели, которые непосредственно характеризуют свойства системы,

2) показатели, которые характеризуют свойства других систем, перенесенные на данную систему.

Первую группу показателей можно, в свою очередь, разделить на следующие подгруппы:

1) показатели, которые определяют основные технические свойства системы, например такие, как мощность, приемистость, надежность, масса двигателя;

2) эргономичные показатели, например, характеризуя вибрацию, шум, дымность выхлопа двигателя;

3) эксплуатационно-экономические показатели, которые есть, например, оценку расходов на топливо, масло, обслуживание двигателя в процессе его эксплуатации;

4) эстетичные показатели, например, характеризуя пропорциональность форм, гармоничность и целостность конструкции двигателя.

Среди показателей, которые характеризуют свойства других систем, можно также выделить отдельные подгруппы:

1) показатели производственно-технологические, характеризуя трудоемкость изготовления систему, степень использования материалов;

2) показатели производственно-экономические, например такие, как себестоимость и цена двигателя; показатели стандартизации и некоторые показатели унификации, характеризуя количество элементов, общих с другими системами.

Для обеспечения необходимой полноты, надежности и удобства описания систем желательно, чтобы используемые в виде показателей качества параметры были достаточно простые в определении, давали наглядное и адекватное представление о тех свойствах, для оценки которых они назначены, имели хорошую чувствительность к изменению этих свойств и были стойкие к случайным препятствиям в процессе их определения (измерение) . В связи с этим выявление номенклатуры показателей качества является не совсем простой задачей. Часто для отбора минимального числа показателей качества используют специальные методы, например метод экспертных оценок.

За применение показателей качества вместо полного описания системы приходится платить погрешностью, определяемой неполнотой информации, что заключается в каждом показателе. Очевидно, что чем меньшее число показателей качества, тем эта погрешность более высокая.

Показатели качества могут характеризовать одно или несколько свойств системы. В первом случае они называются единичными показателями качества, во втором - комплексными. Если свойства системы в целом оцениваются одним показателем, то этот показатель называется определяющим показателем качества (ГОСТ 1547-79). Иногда в литературе определяющий показатель качества системы называют показателем ее эффективности.

Достаточно часто используют относительные показатели, которые являются отношением показателей качества данной системы и системы, принятой за эталон. Совокупность относительных показателей качества характеризует уровень качества (технический уровень) системы.

Целые системы .

Всякое описание технической системы можно считать неполным, если не рассматривать степень удовлетворения ее свойств потребностям систем высшего порядка и, в конечном итоге, - общества. Обеспечение совокупной потребности общества можно считать основной конечной целью создания какой-нибудь системы или, проще говоря, основной целью системы .

Потребность общества, формируемая на уровне технических систем определенного типа, должна удовлетворяться по трем тесно связанным друг с другом категориям:

1) качества,

2) количества,

3) номенклатуре этих систем.

В частности, потребность общества в двигателях внутреннего сгорания должна удовлетворяться качеством каждого двигателя, номенклатурой двигателей и количеством двигателей каждого наименования.

Если не знать, насколько эта потребность удовлетворяется, то все рассмотренные выше аспекты описания не будут иметь существенного значения, поскольку мы не сможем сказать о системе самого главного: хорошая она или плохая, целесообразное ее использование или нет.

Потребность общества в технических системах распадается на потребности внутреннего и внешнего рынков сбыта, потребность внутреннего рынка - на потребности отраслей народного хозяйства, потребность каждой отрасли - на потребности отдельных потребителей и т.д. В связи с этим основную (конечную) цель системы можно разбить на составляющие, так называемые подцели, те - на еще более мелкие подцели и т.д. В результате выходит иерархическая структура целей, которую иногда называют деревом целей (рис. 1.10).

Разбивка цели системы на подцели производится для того, чтобы через составляющие логически связать эту цель со средствами ее достижения. Дерево целей, как правило, строится сверху вниз - от основной цели к подцелям, а обеспечение целей, очевидно, должно осуществляться от к верху низа. Сначала обеспечиваются цели самого низкого уровня, потом с их помощью (они являются как бы средствами достижения) - цели ближайшего верхнего уровня и т. д., пока не будет достигнута основная цель.

В связи с тем, что качество системы есть совокупность ее свойств, которые обусловливают удовлетворение целей ее создания или применения, показатели качества несут в себе как бы две функции:

во-первых, они позволяют описать целые системы,

во-вторых, с помощью численных выражений оценить степень удовлетворения этих целей.

Целые создания системы могут формулироваться по-разному:

1) приобрести наилучшие (оптимальные) свойства (качество);

2) приобрести наилучшие свойства при наличии ограничений, например на человеческие, материальные, денежные ресурсы и время;

3) приобрести заданные свойства.

Пусть основной целью, что стоит при проектировании системы, есть получение свойства f , измеряемого с помощью показателя качества F . Тогда, чтобы получить наилучшее качество, необходимо создать такую конструкцию системы или обеспечить такие условия ее функционирования, при которых показатель F примет оптимальное значение.

Учитывая, что оптимизация систем - очень важная и серьезная проблема, целесообразно остановиться на некоторых понятиях оптимизации, которые пригодятся нам при последующем изложении.

Основные понятия оптимизации.

Слово «критерий» греческого происхождения, его можно перевести как «мерило оценки». Если с помощью какого-либо критерия развязывается задача оптимизации, то мы имеем дело с критерием оптимума (оптимизации). Рассмотренный выше критерий F является критерием оптимума.

При решении некоторых задач оптимизации на математических моделях не всегда удается вести сравнение вариантов по выбранному критерию оптимума. Иногда его не удается выделить в явном виде и приходится находить другие параметры, которые побочно характеризуют изменения; иногда оценка ведется по функции, в которую входит этот критерий.

В теории исследования операций функция, по которой ведется оценка, степени оптимума решения на математической модели, получила название критериальной, или целевой, функции. Целевая функция не совпадает с критерием оптимума при использовании методов штрафных функций, при решении многокритериальных задач и т.д.

Есть еще одно отличие критерия оптимума от целевой функции. Критерий оптимума может не иметь математической формулировки, а состоять из понятий, представленных на словесном, содержательном уровне. Целевая функция всегда имеет математическую формулировку.

Могут существовать разные случаи оптимальных решений.

1. Целевая функция может иметь один или несколько экстремумов. Наибольший (наименьший) из экстремумов называется глобальным экстремумом максимумом (минимумом). В зависимости от числа экстремумов целевые функции называют одно- или многоэкстремальными (иногда – уни- или полиномами).

2. Оптимальное значение целевой функции достигается внутри или на границах допустимой области. Локальный экстремум, что лежит на грани допустимой области, называется условным максимумом или минимумом (рис. 1.13).

Выбор критериев оптимума и формирования областей допустимых решений осуществляется на основе анализа целей системы. Приведем пример. Пусть необходимо создать двигатель для повода генератора (1-я цель), обеспечивающий максимальную мощность (2-я цель) при заданных предельных габаритах (3-я цель). Тогда критерию оптимума может быть принята как величина эффективной мощности на номинальном режиме (при частоте вращения двигателя, ровной частоте вращения ротора генератора), а область допустимых решений будет определяться ограничениями на частоту вращения и конструктивные размеры двигателя.

В связи с существованием множества целей при оптимизации какой-нибудь системы может быть использовано множество критериев для оценки оптимума. Представителей этого множества называют частными, или локальными, критериями.

Если оптимизация системы ведется по единственному критерию, что характеризует ее основные (с точки зрения надсистеми) свойства, то такой критерий называют глобальным .

Если в процессе оптимизации технической системы принимают участие критерии, которые оценивают свойства подсистем, которые принадлежат разным уровням иерархии, то эти критерии целесообразно называть локальными , или частными, критериями итого уровня иерархии.

Оптимальная система .

Для того, чтобы выявить лучшую систему из имеющегося множества систем, необходимо назначить критерий оптимума и сравнивать его значения, полученные для каждой из систем множества . При прочих равных условиях оптимальной будет та система, у которой величина критерия будет иметь экстремальное значение . Будет ли такая система наилучшей во всех аспектах? Нет, поскольку одним критерием нельзя полностью описать систему. Для того, чтобы оптимизировать систему по свойствам, не охватываемым выбранным критерием, нужно вводить другие критерии оптимума, то есть перехаживать к многокритериальной задаче оптимизации, а решить последнюю объективно и однозначно, как правило, невозможно.

При существовании нескольких критериев оптимума обычно невозможно найти решение, что доставляют экстремум всем им одновременно. Объясним это на следующем упрощенном примере оптимизации двигателя по

двух критериях оптимума.

Пусть первый критерий есть эффективная мощность двигателя на номинальном режиме Ne, второй - наработку двигателя на отказ Т. Будем рассматривать варианты двигателя, отличные только частотой вращения коленчатого вала на номинальном режиме. Пусть характер изменения этих критериев будет таким, как на рис. 1.14, где экстремальные точки обозначены звездочками. Из рисунка видно, что максимальная наработка на отказ Т* достигается при частоте вращения коленчатого вала п1, а максимальная мощность Ne - при п2. Наилучшего варианта системы (то есть двигателя), при котором одновременное Т = Т* и Ne = N*e, в нашей задаче, очевидно, быть не может.

Из приведенного примера выходит, что всякое решение по выбору наилучшего варианта при числе критериев оптимума больше одного, как правило, будет компромиссным. Что же прячется в приведенном выше определении оптимума за выражением «множество возможных систем».

Если при поиске оптимального решения в однокритериальной задаче варьируемый параметр изменяется в диапазоне а £ х £ b, то можно перебрать тем или иным способом все его значения и тем самым найти экстремум критерия оптимума . Когда же мы рассматриваем варианты конструктивных идей и хотим спроектировать техническую систему, оптимальную по конструктивной идее, что лежит в ее основе, то у нас даже теоретически нет возможности перебрать все решения, потому что число показателей, которые характеризуют конструктивную идею, неопределенно, и может быть бесконечным. Отсюда ясно, что в строгом значении оптимальную систему, а следовательно, и оптимальную систему ДВС создать нельзя.

Вместе с тем чтобы отличать двигатели и их системы от других, создаваемых традиционными способами, будем называть оптимальным двигателем (системой) такой (такую), над которым произведенная процедура оптимизации в одиночку или нескольким критериям, которые входят в число показателей качества.

Относительность оптимума .

В связи с вышеизложенным понятие оптимального решения не является абсолютной категорией, оно справедливое только при условиях, обусловливаемых при постановке задачи оптимизации. Прежде всего, выбор оптимального варианта существенно зависит от того, что принимается как критерия оптимума и ограничений.

Должно быть очевидным, что если при оптимизации двигателя с заданной системой ограничений критерия оптимума принять как эффективную мощность, то мы получим один набор конструктивных оптимальных параметров, если двигатель оптимизировать по удельной затрате топлива, - другой, и, наконец, если двигатель оптимизировать по тяговым свойствам, - третий.

Приведем такой пример. Допустим, при постановке задачи оптимизации дизеля заданной мощности как ограничение назначенное предельное значение ресурса к капитальному ремонту R = 5000 ч. Вероятно, что в результате проведенной операции оптимизации двигателя мы будем иметь конструкцию быстроходного двигателя. Если же при прочих равных условиях задать значение предельного ресурса R = 100 000 ч, то мы получим как оптимальный тихоходный двигатель или выявим, что поставленная задача не имеет решения (если есть ограничение на габариты и массу двигателя).

В многокритериальных задачах результаты выбора оптимального решения еще в большей степени зависят от постановки задачи, поскольку необходимо задать дополнительно правило выбора оптимальных решений - принцип оптимума.

Из сказанного выше следует, что всякая оптимизация относительна, и, употребляя термин «оптимальная система», необходимо обусловливать, при каких условиях обеспечивается оптимум .

Классификация моделей .

Моделирование является могучим средством научно-технического познания, в процессе которого исследуется не сам объект, а некоторая промежуточная система (естественная или искусственная), способная давать информацию о познаваемом объекте в необходимом для исследователя аспекте исходя из тех задач, которые стоят перед ним .

Моделирование настолько глубоко внедрилось в технику, что часто мы не замечаем, что имеем дело с моделями. В настоящее время какой-нибудь технический объект, ранее чем он будет воплощен в металле, проходит стадии, если можно так выразиться, модельного существования в виде:

чертежей, расчетов, макетов, опытных установок и др.

И фактически проектируется не сам объект, а его модели, которые потом после соответствующих превращений реализуются в виде объекта.

Будем понимать под моделью технической системы А ее описание, составленное на каком-либо языке, или другую техническую систему В, способную замещать систему А в том или другом аспекте в процессе ее проектирования, исследования или управления ею .

Всякую систему можно моделировать бесконечным множеством способов. Это множество определяется и ограничивается,

во-первых, целями системы,

во-вторых, целями моделирования,

в-третьих, техническими средствами для построения моделей, и, наконец, творческими способностями их творцов, которые располагаются.

Использование моделей удобно по многим причинам:

1) с моделью легче обращаться;

2) о модели чаще всего мы можем знать больше, чем об оригинале;

3) модель позволяет получить представление о крайних ситуациях, в которых может очутиться система, без опасности для оборудования или жизни людей;

4) модель, как правило, значительно более дешевое, чем оригинал, и ее использование позволяет экономить время.

Сегодня однозначно можно сказать, что системный подход невозможный без широкого применения моделирования. Модели в основном необходимы для выполнения таких работ, как исследование законов функционирования систем с учетом их взаимосвязей с внешним окружением;

прогнозирование поведения систем или их свойств в заданных ситуациях и прогнозирование ситуаций, что интересуют;

выбор и оптимизация параметров и характеристик функционирования систем;

управление проектированием, производством и эксплуатацией систем.

Исследовательские задачи, разрешимые с помощью моделирования, можно разделить на четыре группы:

прямые задачи анализа, в которых определяется реакция системы с заданной структурой и свойствами на действии на нее;

обратные задачи анализа, в которых по известной реакции системы с известной структурой и свойствами определяются возмущения, которые вызывали эту реакцию;

задачи синтеза, требуя нахождения структуры системы и ее параметров, которые обеспечивают получение заданных свойств;

индуктивные задачи, решения которых необходимо для проверки гипотез, уточнений описаний системы, выявления определенных свойств системы.

Все модели можно разделить на абстрактные и материальные. Абстрактными будем называть модели, которые являются описаниями , а модели, реализованные в виде технических, кибернетических или комбинированных систем, - материальными .

Абстрактные модели являются информационными системами; они не могут существовать без материальных носителей информации . Среди абстрактных моделей можно выделить: словесные модели (например, описания конструкции двигателей, инструкции по эксплуатации), графические модели (чертеж) и, наконец, математические модели, которые используют для целей описания преимущественно языки математических символов.

С другой стороны, существуют абстрактные модели систем и абстрактные модели операций над системами. Последние будем называть операционными моделями , они служат для выполнения разных операций, производимых как над абстрактными, так и над материальными моделями .

Операцию над моделью, можно считать самой моделью , если операционную модель представить как модель функционирования сложной надсистеми, в которую входят та система, над которой производится операция, и система, что производит операцию , - человек, ЭВМ или человеко-машинная система.

Материальные модели делятся на физические и аналоговые.

Физические модели имеют одинаковую с моделируемой системой физическую природу процессов . В аналоговых моделях реальные процессы, которые имеют место в моделируемой системе, замещаются процессами другой физической природы, что имеют общие закономерности с реальными процессами .

Техническая система -- это целостная совокупность конечного числа взаимосвязанных материальных объектов, имеющая последовательно взаимодействующие сенсорную и исполнительную функциональные части, модель их предопределенного поведения в пространстве равновесных устойчивых состояний и способность, при нахождении хотя бы в одном из них (целевом состоянии), самостоятельно выполнять в штатных условиях предусмотренные её конструкцией потребительские функции

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

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

системы состоят из частей, элементов, то есть имеют структуру,

системы созданы для каких-то целей, то есть выполняют полезные функции;

элементы (части) системы имеют связи друг с другом, соединены определенным образом, организованы в пространстве и времени;

каждая система в целом обладает каким-то особым качеством, неравным простой сумме свойств составляющих ее элементов, иначе пропадает смысл в создании системы (цельной, функционирующей, организованной).

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

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

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

функциональность,

целостность (структура),

организация,

системное качество.

Отсутствие хотя бы одного признака не позволяет считать объект технической системой.

Функционирование это изменение свойств, характеристик и качеств системы в пространстве и времени.

Функция - это способность ТС проявлять свое свойство (качество, полезность) при определенных условиях и преобразовывать предмет труда (изделие) в требуемую форму или величину.

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

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

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

"Формула" системы:

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

"Под идеальной системой понимается такая система, затраты на получение полезного эффекта в которой равны нулю. При этом под затратами понимается самый широкий круг понятий - энергия, материалы, занимаемое пространство... Понятие идеальной технической системы было выдвинуто Г.С. Альтшуллером. Образ идеальной системы позволяет сконцентрировать внимание разработчика только на ожидаемом полезном эффекте, лучше осознать, что требуется потребителю. Оценим, насколько эффективным может быть использование такого подхода к определению цели в практической деятельности.

Функциональный состав и свойства объектов таксона «технические системы». техническая система изобретательский творческий инженерный

В каждой ТС существует функциональная часть -- объект управления (ОУ). Функции ОУ в ТС заключаются в восприятии управляющих воздействий (УВ) и в изменении в соответствии с ними своего состояния. ОУ в ТС не выполняет функций принятия решений, то есть не формирует и не выбирает альтернативы своего поведения, а только реагирует на внешние (управляющие и возмущающие) воздействия, изменяя свои состояния предопределенным его конструкцией образом.

В объекте управления всегда могут быть выделены две функциональные части -- сенсорная и исполнительная.

Сенсорная часть образована совокупностью технических устройств, непосредственной причиной изменения состояний каждого из которых является соответствующие ему и предназначенные для этого управляющие воздействия. Примеры сенсорных устройств: выключатели, переключатели, задвижки, заслонки, датчики и другие подобные им по функциональному назначению устройства управления техническими системами.

Исполнительная часть образована совокупностью материальных объектов, все или отдельные комбинации состояний которых рассматриваются в качестве целевых состояний технической системы, в которых она способна самостоятельно выполнять предусмотренные её конструкцией потребительские функции. Непосредственной причиной изменения состояний исполнительной части ТС (ОУ в ТС) являются изменения состояний её сенсорной части.

Классификационные признаки объектов таксона «технические системы»:

представляют собой целостную совокупность конечного множества со взаимодействующих материальных объектов

имеют условия штатной эксплуатации, предусмотренные их конструкцией

имеют модели управляемого предопределенного причинно-следственного поведения в пространстве достижимых равновесных устойчивых состояний

имеют целевые состояния, соответствующие состояниям исполнительной части объекта управления в ТС

имеют способность, находясь в целевых состояниях, самостоятельно выполнять потребительские функции

"......последние слова книги пророка Люстрога гласят: «все истинно верующие да разбивают яйца с того конца, с какого удобнее».
Джонатан Свифт «Путешествия Гулливера»

Введение
Теория Решения Изобретательских Задач (ТРИЗ), разработанная талантливым инженером, изобретателем и гениальным выдумщиком Г.С. Альтшуллером, широко известна и, несомненно, является наиболее эффективным инструментом решения инженерных задач в настоящее время. Опубликовано большое количество материалов на русском и английском языках, в которых суть теории раскрывается достаточно полно для первоначального знакомства с ней. Лучшим русскоязычным ресурсом является сайт Минского центра ОТСМ-ТРИЗ (http://www.trizminsk.org), лучшим англоязычным - Американский ТРИЗ-Журнал (http://www.triz-journal.com). Изучив ТРИЗ по книгам и статьям, можно легко учить других - материал настолько богатый и увлекательный, что интерес к занятиям будет обеспечен.
Однако, для более глубокого понимания ТРИЗ необходимо тщательное осмысление изложенного материала, в первую очередь, понятий и терминов ТРИЗ. Ведь многое в ТРИЗ изложено, как материал для дальнейших размышлений, а не набор информации для простого запоминания.
За время работы для компании САМСУНГ в качестве ТРИЗ-консультанта мне пришлось заново и всерьез переосмыслить все то, что я знал о ТРИЗ раньше. При решении технических задач, обходе патентов конкурирующих компаний и разработке прогноза развития технических систем очень важно было понять глубинное содержание каждого термина ТРИЗ с тем, чтобы применять ее инструменты с максимальной эффективностью.
Одним из основных понятий в ТРИЗ и одним из важнейших звеньев всех без исключения ее инструментов является понятие «Техническая Система». Этот термин вводится в классической ТРИЗ без определения, как производное от понятия «Система». Но при ближайшем рассмотрении становится ясно, что это понятие - «Техническая Система» - требует дальнейшей конкретизации. В пользу такого утверждения говорит, например, семантический аспект. Понятие «Техническая Система» переводится с русского языка на английский двумя способами: «Technical System» и «Engineering System». Используя любую поисковую систему в Интернете, легко убедиться, что эти понятия в понимании специалистов, проявляющих активность в ТРИЗ, практически равноценны. Или взять, к примеру, глоссарий Виктора Фея (http://www.triz-journal.com/archives/2001/03/a/index.htm), в котором просто нет разъяснения ни того, ни другого понятия.
В настоящей статье я попытался описать мое осмысление термина «Техническая Система», постепенно сложившееся после того, как для решения конкретной задачи мне понадобилось узнать полный состав минимально работоспособной технической системы.

Попытка анализа понятия «Техническая Система»
Для начала рассмотрим, что же такое система вообще.
Имеется много разных определений системы. Самое залихватское, абстрактное, потому абсолютно исчерпывающее, но малопригодное для практических целей определение дал В. Гейнс : «Система - это то, что мы определим как систему» . На практике чаще всего пользуются определением системы А.Богданова : «Система - это множество взаимосвязанных элементов, обладающих общим (системным) свойством, не сводящимся к свойствам этих элементов» .

А что такое «Техническая Система»?
К сожалению, непосредственно понятие «Техническая Система» у Г. Альтшуллера не определено. Из контекста ясно, что это некоторая система, имеющая отношение к технике, техническим объектам. Косвенным определением Технической Системы (ТС) могут служить сформулированные им три закона, вернее, три условия, которые должны удовлетворяться для ее существования :
1. Закон полноты частей системы.
2. Закон «энергетической проводимости» системы.
3. Закон согласования ритмики частей системы.

Согласно закону полноты частей системы каждая ТС включает в себя, как минимум, четыре части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и систему управления.

То есть, имеется какая-то система, машина, состоящая из технических объектов, подсистем, которая может выполнять требуемую функцию. Она включает рабочий орган, трансмиссию и двигатель. Все, управляющее действием этой машины, помещается в «Систему управления» или малопонятную «Кибернетическую часть» .
Важным здесь является понимание того, что ТС создается для выполнения некоторой функции. Наверное, следует понимать так, что минимально работоспособная ТС может выполнять эту функцию в любой момент, без дополнительного доукомплектования. Подходы к определению Технической Системы представлены в книге «Поиск новых идей» , где приводится определение «Развивающейся Технической Системы». Этого вопроса касается в своих интересных исследованиях В. Королев . Некоторые критические замечания посвящены этому и в материалах Н. Матвиенко . Определение же понятия «Техническая Система» применительно к ТРИЗ приведено в книге Ю.Саламатова :

«Техническая Система - это совокупность упорядоченно взаимодействующих элементов, обладающая свойствами, не сводящимися к свойствам отдельных элементов и предназначенная для выполнения определенных полезных функций» .

Действительно, у человека есть какая-то потребность, для удовлетворения которой надо выполнить некоторую функцию. Значит, нужно каким-то образом организовать систему, эту функцию выполняющую, - Техническую Систему - и удовлетворить потребность.
Что же смущает в приведенном выше определении Технической Системы? Не совсем понятное слово «предназначенная». Наверное, все-таки здесь важнее не чьи-то пожелания, а объективная возможность выполнения требуемой функции.
Например, для чего предназначен металлический цилиндр с осевым отверстием переменного диаметра и резьбой на одном его конце?
Ответить на такой вопрос практически невозможно. Дискуссия сразу переходит в плоскость вопроса «а где это можно было бы применить?».

Но можно ли, пользуясь этим определением, сказать: пока это еще не Техническая Система, а с этого момента - уже Техническая Система? Написано так: «....ТС появляется, как только технический объект приобретает способность выполнять Главную Полезную Функцию без человека». А дальше сказано, что одна из тенденций развития ТС - это удаление человека из ее состава. Значит, на каком-то этапе развития ТС человек является ее частью. Или нет? Непонятно.....

Наверное, мы ни в чем не разберемся, если не найдем ответа на следующий вопрос: человек - это часть Технической Системы или нет?

Опросив знакомых тризовцев, я получил достаточно широкий спектр ответов: от твердого «нет», подкрепленного ссылками на корифеев, до робкого «да, наверное».
Самый же оригинальный из ответов: когда автомобиль движется равномерно и прямолинейно - человек не является частью этой технической системы, но как только автомобиль начинает поворачивать, то человек сразу становится ее нужной и полезной частью.

Что у нас в литературе? У Саламатова приведен пример, из которого вытекает, что человек с мотыгой - не ТС. Тем более, сама мотыга не является Технической Системой. А лук - это ТС.
Но чем отличаются мотыга и лук? В луке есть аккумулятор энергии - тетива и гибкий стержень, в хорошей мотыге тоже при замахе ручка изгибается и при движении вниз увеличивает силу удара. Чуть-чуть изгибается, но нам важен принцип. С луком работают в два движения: сначала взводят, потом отпускают, с мотыгой - тоже. Почему же тогда такая несправедливость?

Давайте попробуем разобраться.

Заостренная деревянная палочка - это Техническая Система? Не похоже. А автоматическая ручка? Наверное, это ТС, и довольно сложная. Ну а принтер? Несомненно, ТС.
А карандаш? Кто его знает.... Вроде так: ни то, ни се. Может, назвать его «простая Техническая Система»? Свинцовая или серебряная палочка для письма? Вопрос.... Уже и не щепка деревянная, все-таки - драгоценный металл, но и до ручки еще далековато.

Современная капиллярная ручка, карандаш, заостренная палочка и пишущий узел принтера, - что у них общего? Некоторая полезная функция, которую они, в принципе, могли бы выполнять: «оставлять след на поверхности».
«Долговязый Тимошка бежит по узенькой дорожке. Его следы - твои труды». Помните? Это карандаш. А также палочка, свинцовое или серебряное стило, ручка, фломастер, принтер, типографский станок. Каков набор! А ряд - логичный...

Правда, тут снова возникает вопрос.
Если все эти объекты могут выполнять одну и ту же функцию, значит это все - Технические Системы. И не надо делить их на сложные и примитивные. Если объекты выполняют одинаковые функции, то у них не только назначение одинаковое, но и уровень иерархии должен быть одинаковым.
Или наоборот - это все никакие не ТС. Ну, какая Техническая Система - заостренная палочка? Где у нее двигатель или трансмиссия? Но тогда выходит, что принтер тоже не ТС.

Давайте подойдем формально.
Всякая Техническая Система должна выполнять какую-то полезную функцию. Может ли заостренная палочка выполнить свою функцию? Нет. А принтер?..
Проделаем простой опыт. Положим ручку на стол. Или, для упрощения, - на бумагу. Давайте просто подождем, когда она начнет выполнять свою главную полезную функцию. Не выполняет. И не будет выполнять, пока человек, оператор, не возьмет ее в руку, не приложит к листу бумаги, и «...стихи свободно потекут».
А принтер? Начнет ли он печатать, пока пользователь не даст команду компьютеру, а тот, в свою очередь, не переадресует ее принтеру? То есть, без нажатия на кнопку, голосовой команды или, в перспективе, мыслительной команды действие не произойдет.

Таким образом, получается следующее. Ручка, мотыга, принтер, велосипед - не ТС. Точнее, не полные ТС. Это просто «системы технических объектов». Без человека, оператора, они не могут работать, т.е. не могут выполнять свою функцию. Конечно, в принципе - могут, а вот в реальности... Точно так же четыре колеса, кузов и капот не могут ничего никуда перевезти... Даже полностью укомплектованный новенький автомобиль, заправленный, с ключами в замке зажигания, - это не Техническая Система, а просто «система технических объектов». Вот сядет на свое место оператор, в просторечии, шофер, возьмется за баранку, и сразу же автомобиль станет Технической Системой. И все другие технические объекты и системы становятся полными ТС и работают только и исключительно вместе с человеком, оператором.
Оператор может сидеть внутри «системы технических объектов». Может стоять возле нее, подальше или поближе. Может вообще запрограммировать действие Технической Системы, включить ее и уйти. Но в любом случае - оператор должен участвовать в управлении ТС.
И не надо противопоставлять космический корабль мотыге. Как первое, так и второе - это большая или меньшая часть некоторой ТС, которую для нормального выполнения главной полезной функции надо дополнить одним или несколькими операторами.
Вспомним закон полноты частей системы, сформулированный Г.С.Альтшуллером. ТС возникает тогда, когда налицо все ее четыре части (Рис.1), причем, каждая из них должна быть минимально работоспособна. Если хотя бы одна часть отсутствует, то это - не Техническая Система. Так же нет ТС, если одна из четырех частей неработоспособна. Получается, что Техническая Система - это то, что должно быть полностью готово к немедленному выполнению своей главной полезной функции без дополнительного доукомплектования. Как корабль, полностью готовый к походу. Все заправлено, заряжено, и весь экипаж на своих местах.
А без человека система управления не то что «минимально работоспособна», а неработоспособна в принципе, поскольку неукомплектована. Не выполняется закон полноты частей системы. И закон сквозного прохода энергии не выполняется. Идет сигнал в систему управления, и - стоп. Нет обратного потока энергии.
И как быть с теми «Техническими Системами», которые благополучно выполняют свою полезную функцию, но совершенно не содержат технических объектов? Например, электрик, меняющий электрическую лампочку....

Похоже, что есть такой особый уровень иерархии, на котором совокупность объектов, элементов превращается в собственно Техническую Систему. Это - уровень автомобиля с водителем, видеокамеры с оператором, ручки с писателем, автоматизированного производственного комплекса с операторами, его запускающими и обслуживающими и т.п. То есть, это уровень, на котором образуется система: совокупность природных и технических объектов, человека-оператора и его действий, выполняющая какую-то, непосредственно полезную для человека, функцию.

Интересно посмотреть, как выстроена иерархия биологических объектов и систем. Молекулы, клетки, элементы, части организмов - это уровень подсистем. «Подсистема» - это отдельная часть организма, например, скелет слона, жало комара или перо синицы. Сумма таких подсистем, даже их полный набор, целиком собранный из них организм, никак не может выполнять полезные функции. Нужно в этот «набор» добавить еще что-то, вдохнуть «искру божью», чтобы получить живой, функционирующий организм.

Живые организмы, особи, могут объединяться в надсистему. «Надсистема» - это более или менее организованная совокупность животных или растений, например, пчелиная семья. Но такого резкого качественного скачка здесь уже не происходит.

По аналогии с биологическими системами можно трактовать понятие «Техническая Система» как особый уровень иерархии, при котором система получает возможность действовать самостоятельно, т.е. уровень живого организма.

Другими словами, «Техническая Система» в технике соответствует уровню живого организма в природе. В патентной заявке это называется «машина в работе». Т.е., «система технических объектов» плюс человек-оператор. Например, карбюратор - это не ТС, а просто - система, совокупность технических объектов. А вот человек (оператор), стучащий карбюратором по ореху - это ТС с полезной функцией: очищать орехи от скорлупы. Так и человек с мотыгой - ТС, а трактор с плугом - нет. Парадокс....

«Человек» - что это такое в применении к Технической Системе? Что тут трудно для понимания?
Наверное, путаница вызывается самой формулировкой вопроса. Психологически сложно поставить на один уровень человека и колодочный тормоз.
Несомненно, что человек, как часть техносферы, имеет самое прямое отношение к любой ТС и может быть по отношению к ней в следующих ролевых ситуациях:

В надсистеме:
1. Пользователем.
2. Разработчиком.
3. Изготовителем технических объектов системы.
4. Лицом, обеспечивающим техническое обслуживание, ремонт и утилизацию технических объектов системы.
В системе:
1. Оператором, главным элементом системы управления.
2. Источником энергии.
3. Двигателем.
4. Трансмиссией.
5. Рабочим органом.
6. Обрабатываемым объектом.
В окружающей среде:
1. Элементом окружающей среды.

Пользователь, несомненно, главное лицо. Именно он оплачивает создание ТС, именно по его воле разработчики и изготовители берутся за дело. Он оплачивает труд оператора, техническое обслуживание, ремонт и утилизацию технических объектов системы.
Вторая группа лиц обеспечивает функционирование ТС при работе, испытывает ее действие на себе.
Третья группа косвенно помогает или препятствует этому процессу, или просто наблюдает за ним и подвергается воздействию побочных эффектов, возникающих при работе.

Человек может выполнять несколько ролей одновременно. Например, водитель собственного автомобиля или человек, пользующийся ингалятором. Или велосипедист. Он - элемент почти всех систем велосипеда, кроме рабочего органа (сидения) и трансмиссии (колес и рамы велосипеда).

Все-таки, получается так, что человек - обязательная часть Технической Системы.
Казалось бы, какая разница. Ведь как дойдет до дела, до решения реальных инженерных задач, то человек быстро уходит за скобки проблемы и работать приходится на уровне подсистем. Да, но только в тех местах, где согласование и проход энергии осуществляются между подсистемами, никак не связанными с оператором. А стоит нам подойти поближе к системе управления, как проблема взаимодействия человека и технических объектов встает в полный рост.
Взять, к примеру, автомобиль. Свой нынешний облик автомобиль приобрел уже к концу 70-х годов, когда были изобретены подушки безопасности и надежная автоматическая коробка передач. Большинство усовершенствований с той поры направлены только на то, чтобы улучшить управление, безопасность, удобство обслуживания и ремонта, - т.е., на взаимодействие человека, главной части ТС, с ее остальными частями.
Грузовик 40- 50-х годов имел рулевое колесо диаметром 80 см. Водитель должен быть очень сильным, чтобы управлять таким автомобилем. А в авиации... Гигантский самолет 30-х годов «Максим Горький». Чтобы выполнить маневр, за штурвал должны были тянуть первый и второй пилот вместе. Иногда они звали на подмогу штурмана и остальной экипаж. Сейчас оператор с помощью усилителей может управлять гораздо более нагруженными механизмами. Казалось бы, проблема решена. Ан нет, опять часто забывают про человека... Дело в том, что усилители не всегда позволяют оператору в полной мере чувствовать поведение управляемого механизма. Иногда это приводит к авариям.

Например, проблема безопасности движения автомобиля или более «монотонного» в управлении локомотива. Здесь очень важно, чтобы оператор всегда находился в бодром, работоспособном состоянии. Проблема эта решается и в надсистеме - устраняются причины засыпания за рулем, проводится медицинский контроль, повышается ответственность водителя-оператора. Но все чаще это решается непосредственно в Технической Системе. Прямо в кабине. Если машинист вовремя не выключит сигнальную лампочку, остановится двигатель, и поезд остановится. Или в автомобиле: не поедешь, пока не пристегнешься. Т.е., идет нормальная обратная связь так же, как и между всеми остальными элементами ТС.

Может быть, одна из причин, по которой это направление совершенствования технических систем начало активно развиваться только в последние годы, - это непонимание места человека в их структуре. Вернее, не то, чтобы непонимание, а.... В общем, разработчик попадает в сложную психологическую ситуацию. Человек - разработчик нового - по праву ощущает себя творцом. Он не может до конца прочувствовать того, что такой же человек может быть еще и оператором, двигателем или рабочим органом - частью механизма, машины, Технической Системы. Хорошо еще, если это широко используемая ТС, тесно взаимодействующая с человеком, например, автомобиль. Здесь человек может являться и разработчиком, и оператором, и пользователем одновременно.
Как и с компьютером. Работать с большинством компьютерных программ сложно даже сейчас, когда разработчики поняли простую истину, что с программой будет работать человек-оператор, которому важен результат, а не устройство программы. Это сейчас появились такие понятия, как «дружественный интерфейс». А раньше... Зачем далеко ходить, вспомните «Лексикон».
А другие ТС, стоящие, на первый взгляд, далеко от человека.... Имя им легион. Здесь зачастую и мысль в голову не приходит, что человек - это часть Технической Системы. А ведь при разработке любой из них необходимо анализировать взаимодействие составляющих элементов с учетом возможностей человеческого тела и разума. Иногда это не выполняется.
Мало того, часто не учитываются многие из известных сейчас природных факторов, влияющих на самочувствие человека, четкость его движений и быстроту реакции. А вновь открытые психологические факторы, например, «эффект Кассандры» ?
И встает страшным грибом Чернобыль, падают авиалайнеры и сталкиваются корабли.

А что еще, кроме оператора, нужно для получения готовой к функционированию Технической Системы?

Об этом - во второй части этой статьи.

Литература:
1. Gaines, B.R. «General System research: Quo vadis?» General System Yearboor, 24, 1979.
2. Богданов А. А. Всеобщая организационная наука. Тектология. Кн. 1. - М., 1989. - С. 48.
3. Альтшуллер Г. С. Творчество как точная наука. http://www.trizminsk.org/r/4117.htm#05 .
4. Каменев А. Ф. Технические Системы. Закономерности развития. Ленинград, «Машиностроение», 1985.
5. Г. Альтшуллер, Б.Злотин, А. Зусман. В. Филатов. Поиск новых идей: от озарения к технологии. Кишинев, Картя Молдавеняска, 1989. с. 365.
6. В. Королев. О понятии «система». Энциклопедия ТРИЗ. http://triz.port5.com/data/w24.html .
7. В. Королев. О понятии «система» (2). Энциклопедия ТРИЗ. http://triz.port5.com/data/w108.html .
8. Матвиенко Н. Н. Термины ТРИЗ (проблемный сборник). Владивосток. 1991.
9. Саламатов Ю. П. Система законов развития техники (Основы теории развития Технических систем). INSTITUTE OF INNOVATIVE DESIGN. Красноярск, 1996г. http://www.trizminsk.org/e/21101000.htm .
10. Свиридов В. А. Человеческий фактор. http://www.rusavia.spb.ru/digest/sv/sv.html .
11. Иванов Г. И. Формулы творчества или как научиться изобретать. Москва. «Просвещение». 1994
12. Купер Фенимор. Прерия.