Бесплатный фрагмент - Законы и закономерности развития систем

Это третья книга из монографии «Законы и закономерности развития систем». В данной книге изложены законы построения систем и закономерности эволюции систем.

Монография состоит из 4 книг. Это единственное самое полное изложение законов и закономерностей развития систем. С такой подробностью законы и закономерности развития систем еще не были изложены ни в одной книге. Монография также содержит методику прогнозирования — это основа эффективной методики получения перспективных идей, прогноза развития систем и обхода конкурирующих патентов, которая имеет ощутимые преимущества перед существующими подходами.

Монография предназначена для широкого круга читателей, интересующихся или занимающихся инновациями. В первую очередь она предназначена менеджерам, научным работникам, инженерам и изобретателям, решающим творческие задачи. Она может быть полезна преподавателям университетов, аспирантам и студентам, изучающим теорию решения изобретательских задач (ТРИЗ), инновационный процесс, системный подход и инженерное творчество, а также руководителям предприятий и бизнесменам.

Особый интерес монография может представлять для патентных поверенных.

Введение

…развитие технических систем независимо от конкретных технических и физических факторов, обусловливающих это развитие.

Г. С. Альтшуллер

Законы и закономерности развития систем определяют требования к построению и развития систем.

Общее направление развития систем идет в сторону увеличения степени системности.

Законы и закономерности развития систем можно разделить на две группы:

— законы построения систем (определяющие работоспособность системы);

— закономерности эволюции систем (определяющие развитие систем).

Законы построения систем должны обеспечивать требования системности:

— предназначение;

— работоспособность.

Закономерности эволюции систем должны обеспечивать другие требования системности:

— конкурентоспособность;

— не влиять отрицательно на окружение;

— учитывать закономерности развития систем.

Глава 13. Законы построения систем

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

Г. С. Альтшуллер

13.1. Структура законов построения систем

Законы построения предназначены для создания новой работоспособной системы.

Работоспособная система:

— отвечает ее предназначению (т. е. выполняет главную функцию системы);

— имеет определенную структуру;

— структура обеспечивает свободное прохождение необходимых потоков;

— система минимально согласована.

Необходимым условием принципиальной работоспособности системы является обеспечение ее предназначения и наличие основных работоспособных частей и связей системы.

Работоспособность — это способность выполнять заданную функцию с параметрами, установленными техническими требованиями, в течение расчетного срока службы.

Другими словами, работоспособность — это качественное функционирование системы, т. е. качественное выполнение главной функции системы.

К параметрам работоспособности помимо качественного функционирования системы (в том числе надежности и долговечности) можно также отнести эргономические параметры (характеризуют соответствие товара свойствам человеческого организма).

Работоспособность определяется наличием необходимых элементов с требуемым качеством, наличием и качеством необходимых связей между элементами, организацией необходимых потоков с требуемым качеством.

В связи с этим группа законов построения систем включает (рис. 13.1):

— закон соответствия;

— закон полноты и избыточности системы;

— закон проводимости потоков;

— закон минимального согласования.

Рассмотрим каждый из законов.

13.2. Закон соответствия

Закон соответствия обеспечивает системное требование предназначение. Этот закон говорит о необходимости соблюдения соответствия структуры главной функции системы.

Структура системы должна обеспечивать выполнение главной функции системы, удовлетворяя определенную потребность. Для обеспечения работоспособности структура системы должна так же выполнять все основные и вспомогательные функции. Структура обеспечивает необходимый набор элементов, связей и взаимодействий между ними. Связи обеспечивают единство системы и возможность прохода потоков.

Пример 13.1. Телефон

Предназначение телефона выполнять его главную функцию. У телефона две главные функции — прием и передача звуковых сигналов.

Пример 13.2. Автомобиль

Предназначение автомобиля выполнять его главную функцию — перемещать объект с места на другое место.

13.3. Закон полноты и избыточности системы

13.3.1. Общая информация

Разработка новой системы должна начинаться с определения всех системных свойств. Прежде всего, начинают с функциональности системы.

Полнота и избыточность могут быть функциональными и структурными.

13.3.2. Закон полноты

Необходимым условием принципиальной работоспособности системы является обеспечение ее предназначения и наличие основных работоспособных частей системы.

Полнота может быть функциональной и структурной.

Функциональная полнота

Функциональная полнота должна обеспечивать генеральную цель и главную функцию системы, и выполнять все основные и вспомогательные функции, т. е. выполнять одно из требований системности — предназначение.

Функциональную полноту можно рассматривать и как закон функциональной полноты.

Примеры, описывающие главную функцию системы, были представлены раньше (примеры 13.1 и 13.2).

Опишем некоторые из основных функций.

Пример 13.3. Телефон

Основные функции телефона:

— преобразование получаемых и исходящих звуковых сигналов;

— обеспечение связей между элементами телефона;

— управление телефоном.

Вспомогательные функции — например, иметь в памяти постоянные номера телефонов (адресная книга), определение номера звонившего и т. п.

Пример 13.4. Автомобиль

Основные функции автомобиля:

— вращение колес;

— обеспечение связей между элементами автомобиля;

— управление автомобилем.

Вспомогательные функции — например, обеспечение безопасности движения, обеспечение комфорта, возможность слушать радио и т. п.

Структурная полнота

Структурная полнота должна обеспечить другое требование системности — работоспособность (часть жизнеспособности). Это обеспечивается наличием необходимых работоспособных элементов (частей) и связей системы, т. е. обеспечение состава и структуры системы.

Структурную полноту можно рассматривать и как закон структурной полноты системы.

Элементы могут быть:

• вещественные;

• энергетические;

• информационные.

Они должны содержаться в необходимом количестве и обеспечивать определенное качество.

К вещественным элементам относятся, например, все механические части, в частности корпус.

К энергетическим элементам относятся топливо, источники и преобразователи различных видов энергии.

К информационным элементам могут, например, относиться элементы системы управления, обработки, хранения и передачи информации.

К основным частям (элементам) системы относятся (рис. 13.2):

— рабочий орган;

— источник и преобразователь вещества, энергии и информации;

— связи;

— система управления.

К основным частям системы можно отнести и корпус. Он не является минимально необходимым. Отдельные системы могут обходиться и без него, но большинство систем имеют корпус.

Существуют виды технических систем, где корпус является минимально необходимым, например, судно. В водоизмещающих суднах корпус выполнят функцию удержания на плаву.

Набор всех основных частей системы представлен на рис. 13.3.

Это минимально необходимый набор частей системы, который обеспечивает ее работоспособность.

Рабочий орган

Рабочий орган (иногда его называют «исполнительный элемент» или «инструмент») выполняет главную функцию системы. Именно рабочий орган непосредственно взаимодействует с изделием, для которого предназначена данная система.

Остальные части системы предназначены для обеспечения работоспособности рабочего органа.

Рабочий орган

Пример 13.5. Телефон

Телефон имеет два рабочих органа:

• микрофон;

• наушник.

Функция микрофона — преобразование звука в электрические колебания.

Функция наушника — преобразование электрических колебаний в звук.

Пример 13.6. Автомобиль

В транспортных системах рабочим органом является движитель.

Он существенно зависит от среды, в которой будет перемещаться транспорт.

Для перемещения по поверхности земли, могут использоваться, например, колеса, гусеницы, лыжи (полозья), ноги и т. д.

Перемещение в воздухе или в воде может осуществляться, например, с помощью винта реактивной струи воздуха или воды, соответственно.

В автомобиле рабочий орган — это колесо.

Колесо имеет две функции: перемещать автомобиль и поддерживать его на определенном расстоянии от поверхности дороги. Перемещение — главная функция автомобиля.

Источник и преобразователь

Существуют разнообразные источники вещества, энергии и информации.

Имеются природные и искусственные источники вещества. К природным источникам вещества можно отнести, например, полезные ископаемые, древесину и т. д., а к искусственным — полученные в результате направленной деятельности человечества.

Среди источников энергии можно назвать, например, солнце, ветер, электричество, топливо и т. д.

Источники энергии могут быть внешние, внутренние и смешанные.

Источники информации могут быть:

— по виду поля: звуковые (акустические); электромагнитные, включающее электрическое и магнитное поля и весть спектр электромагнитных излучений (радиоволны, терагерцовые, инфракрасные — включая тепловые, видимый свет, ультразвуковые, рентгеновские и жесткие); вкусовые; запаховые; тактильные и т. д.;

— по виду хранения: наскальные, письменные (книги, журналы, газеты и т. д.), электронные (все виды запоминающих устройств, Интернет и т. д.), произведения искусств и т. п.

Известны различные преобразователи вещества, энергии и информации.

К преобразователям вещества можно отнести химические реакции, электричество (например, электролиз, гальванопластика и т. д.), нанотехнологии и т. д.

Среди преобразователей энергии можно назвать двигатели, генераторы, трансформаторы, выпрямители, преобразователи частоты, химические реакции и т. д.

Источник и преобразователь

Пример 13.7. Телефон

Источник вещества — завод-изготовитель.

Преобразователь вещества — отсутствует.

Источник энергии — электричество.

Стационарный телефон имеет только внешний источник энергии — телефонная сеть. Радиотелефон и мобильный телефоны имеют внешний и внутренний источники энергии, т. е. смешанные источники. В трубке радиотелефона имеются аккумуляторы, а база присоединена к электрической сети. Мобильный телефон тоже имеет аккумулятор, который заряжается от электрической сети.

Преобразователь энергии — магнитное поле, пьезо- или магнитострикционный преобразователи.

Источник информации — звук (голос).

Преобразователь информации — телефон в целом.

Пример 13.8. Автомобиль

Источник вещества — завод изготовитель и топливо.

Преобразователь вещества — двигатель.

Источник энергии — топливо.

Топливо имеется внутри автомобиля в бензобаке — внутренний источник энергии, который пополняется извне — заправочная станция (внешний источник).

Преобразователь энергии — двигатель. Он же является преобразователем вещества.

Кроме того, в автомобиле имеются дополнительные источники энергии — источники электрической энергии: аккумулятор и преобразователь механической энергии в электрическую — генератор. Пополнение электрической энергии осуществляется за счет вращения коленчатого вала.

Связи

Связи должны обеспечивать:

• подвод необходимых и достаточных:

— веществ;

— энергии;

— информации;

• организацию потоков (вещества, энергии и информации);

• обеспечение системных свойств;

• отсутствие вредных воздействий (вредных потоков):

— внутренние не должны осуществлять вредных воздействий между элементами системы (вредные потоки);

— внешние связи не должны осуществлять вредных воздействий системы на надсистему и окружающую среду и противостоять вредным воздействиям окружающей среды и надсистемы на систему (вредные потоки).

Связи можно разделить по признакам.

1. Уровень взаимодействия:

• внутренние связи;

• внешние связи.

2. Вид связи:

• вещественные;

• энергетические;

• информационные.

3. Полезность:

• полезные связи;

• бесполезные связи;

• вредные связи.

4. Наличие:

• присутствующая связь;

• отсутствующая связь.

5. Временные характеристики:

• постоянная связь;

• временная связь;

• динамическая связь.

6. Вид контакта:

• контактные;

• бесконтактные.

Внутренние связи — это связи внутри системы. Один из видов внутренних связей — это сборка элементов системы в корпусе.

Внутренние связи в системе необходимы для:

• построения структуры системы;

• определения внутренней функциональности системы;

• выявления нежелательных и вредных воздействий в системе.

Внешние связи — это связи с надсистемой, включая объект, для которого предназначена система, и связи с внешней средой. Связь с объектом должна обеспечивать выполнения главной функции системы.

Внешние связи системы определяют работоспособность системы при взаимодействии с надсистемой и внешней средой и отсутствие отрицательных внешних воздействий на окружение. Система должна оставаться работоспособной при воздействии расчетных (заранее заданных) внешний воздействий.

Вещественные связи — это контактные связи, чаще всего механические, например, соединение деталей в корпусе, соединение проводов, труб, трансмиссии и т. д.

К энергетическим связям могут быть отнесены, например, электрические провода и кабели, топливные трубопроводы и т. д.

К информационным связям могут быть отнесены, например, провода, по которым осуществляется передача информации, контроль и управление, все виды беспроводной связи и т. д., и т. п.

Полезные связи обеспечивают выполнение полезных функций.

Бесполезные связи — это, как правило, лишние связи, не создающие полезной работы и не выполняющие полезных функций. Это избыточные связи, которые желательно устранить.

Вредные связи — это связи, создающие вредные действия (вредные функции). Этот вид связей необходимо устранять в первую очередь.

Отсутствующая связь возникает в случаях, когда при проектировании не учли какую-то полезную связь или после проектирования, возникла необходимость в новой связи, а она не предусмотрена. Такую связь мы называет отсутствующей.

Постоянная связь — это связь, которая не меняется в процессе работы системы, например, связь элементов в корпусе.

Временная связь — это связь, которая со временем исчезает, например, стрела имеет связь с луком только во время прицеливания.

Динамическая связь — это связь, изменяющаяся во времени, например, в телефоне имеется связь с абонентом только во время разговора, потом она отключается. При необходимости эта связь может быть восстановлена. Практически в любом электронном приборе, транзистор подключает и отключает сигнал.

Контактные связи осуществляются с помощью веществ — вещественные связи (механические соединения, трубопроводы, провода и т. п.).

Бесконтактные связи осуществляются с помощью полей (весь диапазон электромагнитных излучений: радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновские и гамма-излучения; электрическое и магнитное поля; звуковые поля и т. д.).

Связи

Пример 13.9. Телефон

К вещественным связям относятся, например, различные механические соединения частей телефона, АТС и на линиях передачи.

К энергетическим связям относятся, например, провода и кабели.

К информационным связям могут быть отнесены, например, провода, по которым осуществляется передача голоса и управление, все виды беспроводной связи и т. д.

Внутренние связи — все виды связей внутри телефона: механические крепления, провода и т. д.

Внешние связи — провода, соединяющие телефон и розетку, розетку и распределительный щит, кабели, связывающие распределительный щит и АТС, беспроводная связь и т. д.

Пример 13.10. Автомобиль

К вещественным связям относятся, например, различные виды механических соединений, креплений, трансмиссии и т. д.

К энергетическим связям могут быть отнесены, например, электрические провода и кабели, топливные трубопроводы и т. д.

К информационным связям могут быть отнесены, например, провода, по которым осуществляется передача информации, контроль и управление, все виды беспроводной связи и т. д.

Внутренние связи — все механические крепления и передачи, электрические провода и т. д.

Внешние связи — связь колеса с дорогой, воздействие окружающей среды на автомобиль, воздействие автомобиля на окружающие системы и внешнюю среду и т. д.

Система управления

Система управления обеспечивает функции контроля и управления объектом.

Система управления

Пример 13.11. Телефон

Современный телефон имеет достаточно сложную систему управления, состоящую из клавишей ввода информации, процессора, памяти и т. п. Имеется отдельная система управления встроенными камерами.

Пример 13.12. Автомобиль

В систему управления автомобилем входят помимо рулевого управления и педалей бортовой компьютер, осуществляющий управление всеми элементами автомобиля.

К основным частям системы можно отнести и корпус. Он не является минимально необходимым. Отдельные системы могут обходиться и без него, но большинство систем имеют корпус.

Приведем пример системы без корпуса.

Пример 13.13. Лампочка

При разработке необитаемой космической станции возникла проблема размещения лампы — недостаточно места для ее размещения.

Затем вспомнили, что лампа будет работать в космосе. Следовательно, колба лампы не нужна, и лампа без корпуса свободно размещалась.

13.3.3. Закон избыточности

Необходимым условием принципиальной работоспособности
системы является наличие избыточности системы.

Избыточность — это закономерность, по которой приблизительно 20% функций, элементов и связей системы выполняют около 80% работы.

При создании работоспособной системы нужно учитывать, что для выполнения какой-либо работы, кроме основных элементов и связей (выполняющих главную функцию), необходимо еще приблизительно 80% вспомогательных, причем они, как правило, выполняют только 20% основной работы. Учитывая это, следует предусмотреть лишний расход вещества, энергии и информации (приблизительно 20% на обеспечение главной функции и 80% основных и вспомогательных).

В общем виде закономерность избыточности формулируется как «20% усилий дают 80% результата, а остальные 80% усилий — лишь 20% результата».

Эта закономерность была открыт итальянским экономистом и социологом Вильфредо Парето (Vilfredo Federico Damaso Pareto) в 1897 году. Она получила название «Закон Парето» или «Принцип Парето».

Избыточность может быть:

— функциональной;

— структурной.

Функциональная избыточность определяется тем, что для обеспечения работоспособности системы, помимо главной функции, необходимо выполнять еще основные, вспомогательные и дополнительные функции.

Функциональная избыточность

Главная функция

Пример 13.14. Телефон

Главная функция телефона — передавать звук, в частности голос. Необходимо подобрать вспомогательные функции, обеспечивающие передачу звука, — это принятие и передача звука. Эти функции выполняются микрофоном и наушником.

Пример 13.15. Автомобиль

Главная функция транспортных систем — перемещение объекта на определенное расстояние. Эту функцию выполняет рабочий орган. В зависимости от среды перемещения меняется его структура. У автомобиля — это колесо.

Основные функции

Пример 13.16. Телефон

Помимо главной функции (передача звука) телефон для обеспечения работоспособности выполняет основные функции, обеспечивающие передачу звука: например, набор номера (наборное поле), обеспечение энергией (источник энергии) и т. д. Кроме того, у современного телефона (смартфона) много других, дополнительных функций и телефон имеет функций больше чем компьютер.

Пример 13.17. Автомобиль

Помимо главной функции (перемещение объекта) автомобиль для обеспечения работоспособности выполняет основные функции, обеспечивающие энергию и информацию, например, преобразование энергии (двигатель), хранение энергии (топливный бак), передача энергии (трансмиссия), изменение скорости (коробка передач), управление (рулевое управление, педали) и т. д.

Структурная избыточность определяется необходимостью введения дополнительных элементов и связей, кроме рабочего органа, для обеспечения работоспособности системы; наличием, как минимум, источника и преобразователя энергии, системы управления и связи (в частности, трансмиссии).

Структурная избыточность

Пример 13.18. Телефон

Помимо рабочего органа (микрофона и наушника) телефон для обеспечения работоспособности имеет другие элементы, например, наборное поле, источник энергии и т. д.

Пример 13.19. Автомобиль

Помимо рабочего органа (колеса) автомобиль для обеспечения работоспособности имеет другие элементы, например, двигатель, топливный бак, трансмиссию, коробку передач, рулевое управление и т. д.

Пример 13.20. Компьютер IBM

Одной из самых первых корпораций, взявших на вооружение принцип 80/20 и наиболее успешно использовавших его, была IBM. Вот почему большинство специалистов по компьютерным системам, получивших профессиональную подготовку в 1960-х и 1970-х гг, хорошо знают эту теорию. В 1963 году в IBM обнаружили, что примерно 80% компьютерного времени тратится на обработку 20% команд программы. Компания немедленно переделала системное программное обеспечение так, чтобы наиболее используемые 20% были наиболее доступны и удобны для пользователя, что сделало компьютеры IBM в большинстве приложений более эффективными и быстрыми в большинстве приложений, чем машины конкурирующих компаний.

Разработчики персональных компьютеров и программного обеспечения нового поколения, например, Apple, Lotus, Microsoft, применяли принцип 80/20 с еще большей изощренностью и сделали свои машины более дешевыми и простыми в работе. Этим они завоевали новые массы покупателей, которые раньше бежали бы от компьютера как от огня.

Такое же соотношение характерно для выполнения любого вида работы. Основная часть работы (80–90% готовности) выполняется за 20% времени, а доведение ее до конца требует еще 80% времени.

В связи с этим часто работу не доводят до конца.

Пример 13.21. Разработка компьютерных программ

Многие программные компании выпускают на рынок не полностью отработанные программы, и пользователи сообщают компании об имеющихся ошибках.

Компания Microsoft пошла еще дальше: в программе Windows XP и более продвинутых программах при появлении ошибки, специальная программа «Error Reporting» (рис. 13.4) сама сообщает компании о виде ошибки.

Возникла новая задача. Нужно отработать все ошибки. Это очень большая работа.

Специалисты компании поступили в соответствии с законом Парето. Они отбирали 20% ошибок, которые встречаются в 80% случаях, и обрабатывали только 20% ошибок, которые устраняли 80% проблем.

Избыточность особо велика, когда к системе предъявляются повышенные требования.

Это наиболее характерно для систем безопасности и спасательных средств, медицинского оборудования, военной техники, сложных научных исследований, спортивного оборудования, предметов роскоши, массовых праздников и т. п. Все они, как правило, имеют средства дублирования, значительные запасы (мощности, энергии, провиантов, медицинских препаратов, боеприпасов и т. п.) или «излишества», роскошь.

Дублирование может быть в виде второго, точно такого же, комплекта систем или подобных систем — структурное дублирование. Часто в качестве дублирования используется альтернативную систему, выполняющую точно такую же или более общую функцию. Это вид функционального дублирования.

Пример 13.22. Автоматический выключатель

В электрических сетях имеется автоматические выключатели (рис. 13.5) на отдельные сети, например, на отдельные розетки или осветительные приборы. Отдельные автоматические переключатели имеются на сильные и слабые токи. Имеется отдельный автоматический переключатель на отдельные комнаты, на всю квартиру, на весь дом и т. д. Отдельные выключатели имеются на пробой по фазе или на короткое замыкание.

Пример 13.23. Подводная лодка

В качестве примера избыточности рассмотрим подводную лодку, которая предназначена для уничтожения объекта противника, например, используя ракеты. Часть ракеты, которая осуществляет разрушение — боеголовка, а еще более точно не вся боеголовка, а взрывчатое вещество (ВВ) — это рабочий орган. Таким образом, для уничтожения объекта противника нужно только ВВ — все остальное избыточно. В табл. 13.1 показаны значения стоимостей и веса подводной лодки, ракеты, боеголовки и их соотношения, на примере атомной подводной лодки класса «Вирджиниа» SSN-774 (рис. 13.6), вооруженной крылатыми ракетами BGM-109 (рис. 13.7). Стоимость боевой головки ракеты составляет 0,0004%, а вес боеголовки составляет 0,006%. Соотношение с ВВ будет еще меньшим!!

13.4. Закон проводимости потоков

13.4.1. Общее представление

Необходимым условием принципиальной работоспособности системы является проход потоков вещества, энергии и информации к требуемому элементу системы.

Вещество, энергия и информация должны проходить от источника потока до требуемого элемента, совершая необходимые преобразования и выполняя соответствующие полезные функции.

Создание правильных потоков обеспечивает необходимую функциональность и работоспособность системы. Отсутствие хотя бы одного жизненно-важного потока делает систему не работоспособной.

13.4.2. Потоки

Поток может быть:

— вещества;

— энергии;

— информации.

Поток вещества обеспечивает транспортировку вещества в различных агрегатных состояниях (например, в твердом, гелеобразном, жидком и газообразном) или объектов. Транспортировка веществ может осуществляться, например, по трубопроводам, с помощью конвейерной (транспортерной) ленты и т. п., а объектов с помощью транспортных средств, например, по железной дороге, с помощью автотранспорта, судов, самолетов, эскалаторов, транспортеров и т. д.

Энергетический поток доставляет энергию от источника к требуемому элементу. Поток может, например, доставлять механическую, электрическую, оптическую, химическую, другие виды энергии, различные излучения и т. д.

Информационный поток обеспечивает проход информации от источника к требуемым элементам, например, от системы управления к органам управления и от них к системе управления. Информационный поток может осуществляться с помощью, например, проводов, по которым осуществляется передача информации, контроль и управление и всех видов беспроводной связи и т. д. Они могут распространяться различными путями: через печатные материалы, Интернет, радио и телевидение и т. д. Носителями информации является вещество и/или поле (энергия).

Потоки

Пример 13.24. Телефон

Энергетический поток — это доставка электрической энергии от источника к рабочим органам (наушнику и микрофону) и системе управления.

Информационный поток — это доставка сигналов к рабочим органам, системе управления и обратно.

Пример 13.25. Автомобиль

Вещественный поток, например, передача топлива от бензобака к двигателю.

Энергетический поток — это доставка механической энергии от двигателя к рабочему органу — колесам; доставка топлива от бензобака к двигателю; доставка электрической энергии от аккумулятора или генератора к электрической системе автомобиля.

Информационный поток — это доставка сигналов от необходимых элементов к системе управления и обратно и т. д., и т. п.

Вещественный поток

Пример 13.26. Вещество в твердом состоянии

Пневматическая подача сыпучих веществ, например, песка на расстояние по трубопроводам, пескоструйка, доставка шариков и т. п.

В производстве бетона в бетономешалку подаются потоки веществ в твердом состоянии (цемента, песка, гравия) и в жидком состоянии (воды).

Пример 13.27. Вещество в жидком состоянии

Водопроводы, сточные потоки, нефтепроводы, системы подачи жидкого топлива, молокопроводы и т. п.

Пример 13.28. Вещество в гелеобразном состоянии

Системы подачи масел и смазок, транспортировка крема на парфюмерных фабриках и т. п.

Пример 13.29. Вещество в газообразном состоянии

Разнообразные пневматические системы и трубопроводы со сжатым воздухом, газопроводы, системы подачи кислорода, например, в больницах, системы создания вакуума и т. д.

Пример 13.30. Транспортировка объектов

Объекты могут транспортироваться:

• по земле;

• под землей;

• по воде;

• под водой;

• воздушным путем;

• в космосе;

• внутри помещений;

• внутри объекта и т. д.

Для этого используются все виды транспортных средств.

Внутри помещений, например, используют эскалаторы, лифты, пневматическую почту и т. д.

13.5. Закон минимального согласования системы

13.5.1. Общее представление

Необходимым условием принципиальной работоспособности системы является минимальное согласование частей и параметров системы и системы с надсистемой.

При разработке новой системы согласование необходимо провести по всей цепочке системного синтеза (рис. 1.3 в книге 1): потребность, функция, принцип действия, система.

В связи с этим согласование можно разделить на две группы: внешнее и внутреннее (согласование внутри системы).

Первоначально проводится внешнее, а затем внутреннее согласование.

Опишем последовательности внешнего и внутреннего согласования.

Внешнее согласование:

— согласование потребности и главной функции;

— согласование главной функции и принципа действия;

— согласование принципа действия и рабочего органа (рабочий орган должен обеспечить главную функцию).

Внутреннее согласование (минимальное согласование):

— минимальное согласование преобразователя с рабочим органом;

— минимальное согласование источника и преобразователя вещества, энергии и информации между собой, с рабочим органом и системой управления;

— минимальное согласование системы управления с рабочим органом, источником и преобразователем вещества, энергии и информации;

— согласование всех связей и потоков;

— минимальное согласование всех параметров системы.

Главная функция должна удовлетворять выбранную потребность.

Принцип действия должен выполнять главную функцию.

Рабочий орган должен осуществить принцип действия.

Во внутреннем согласовании осуществляется минимальное согласование всех минимально необходимых частей, связей, потоков и параметров системы.

Преобразователь согласуется (подбирается) в соответствии с выбранным рабочим органом. Преобразователь должен обеспечить рабочий орган всеми необходимыми ему веществами, энергией и информацией для выполнения в соответствующем качестве и количестве для выполнения надлежащей работы, т. е. обеспечить работоспособность рабочего органа.

Преобразователи подбираются или разрабатываются в соответствии с их источниками или наоборот источники подбираются в соответствии с преобразователями.

Минимальное согласование проводится по функциям, структуре, соответствию структуры функциям и параметрам. Минимальное согласование позволяет учесть взаимосвязи и взаимовлияния. Таким образом, согласование бывает:

— функциональное;

— структурное;

— функционально-структурное;

— параметрическое.

13.5.2. Функциональное согласование

Функциональное согласование — это согласование функций между собой. Оно осуществляется при формировании функциональной модели для синтеза новых систем.

Главная функция должна согласовываться с предназначением системы. Основные функции должны согласовываться с главной. Каждая из вспомогательных функций должна согласовываться с соответствующей основной функцией.

Примеры согласования главную функцию системы с предназначением, были представлены раньше (примеры 13.1 и 13.2).

Опишем согласование некоторых из основных функций с главной и вспомогательных с основными.

Пример 13.31. Телефон

Основная функция телефона преобразование получаемых и исходящих звуковых сигналов согласуется с главной функцией;

Вспомогательные функции — например, иметь в памяти постоянные номера телефонов (адресная книга), определение номера звонившего и т. п.

Пример 13.32. Автомобиль

Основная функция автомобиля вращение колес согласуется с главной функцией перемещение объекта.

Вспомогательная функция обеспечение энергии для вращения колес согласуется с основной функцией вращение колес.

13.5.3. Структурное согласование

Структурное согласование — это согласование элементов системы между собой. При этом выявляют их взаимосвязь и взаимовлияние друг на друга и на систему в целом, т. е. определяют соответствие этих элементов друг другу. Кроме того, согласовывают систему с надсистемой и внешней средой.

Пример 13.33. Телефон

В первом телефонном аппарате Антонио Меуччи (Antonio Meucci) микрофон и наушник были механически не связаны друг с другом и их подносили к уху и рту (рис. 13.8), поэтому он подходил для любого человека. Затем микрофон закрепили в корпусе, а наушник снимали и подносили к уху (рис. 13.9), поэтому такой аппарат подходил не каждому, так как одним нужно было дотягиваться до микрофона, а другим наклоняться к нему.

В дальнейшем, создали трубку и расстояние между микрофоном и наушником стали рассчитывать на среднестатистического человека (расстояние между ухом и ртом). Поэтому для кого-то эта трубка была слишком большой, а для кого-то — слишком маленькой. Это типичный пример не согласованности параметров (размера трубки и расстояния ото рта до уха у каждого человека).

В современных телефонах эту проблему решили с помощью чувствительности микрофона и громкой связи или наушников и выносного микрофона.

Пример 13.34. Телефон

Источник питания в телефоне согласуется со всеми элементами. На каждый из элементов подается необходимое для него напряжение. Согласование элементов системы (параметрическое согласование).

Пример 13.35. Телефон

В сотовых телефонах частота принимаемого и передаваемого сигнала согласована с частотой приемных и передающих устройств — ретрансляторов. Согласование с надсистемой (параметрическое согласование).

Пример 13.36. Автомобиль

Двигатель согласуется с рабочим органом (колесом). Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) согласуется с колесом посредством трансмиссии. Электрический двигатель согласуется с колесом, тем, что он находится непосредственно в каждом из колес.

Двигатель согласуется с источником энергии. ДВС с источником жидкого топлива, электродвигатель — с источником электрической энергии.

Все элементы согласуются с системой управления.

Согласуются все связи между элементами.

13.5.4. Функционально-структурное согласование

Функционально-структурное согласование — это соответствие структуры системы ее функциям, т. е. согласование структуры и функций.

Пример 13.37. Телефон

Функция передача звуковой информации согласуется с микрофоном.

Функция прием звуковой информации согласуется с наушником.

Функция преобразования звукового сигнала в электрический осуществляется (согласуется) микрофоном. Функция преобразования электрического сигнала в звуковой осуществляется (согласуется) наушником.

Пример 13.38. Автомобиль

Функция перемещения согласуется с колесом.

Функция вращения колеса согласуется двигателем — при использовании ДВС посредством трансмиссии, а электродвигателя непосредственно с колесом.

13.5.5. Параметрическое согласование

Параметрическое согласование — это согласование всех параметров системы между собой.

Пример 13.39. Телефон

Частоты принимаемых и передаваемых сигналов согласуются с ретрансляционными станциями. Напряжение, поступающее от источника питания (аккумулятора) согласуется каждым из элементов, куду поступает эта энергия и т. д.

Пример 13.40. Автомобиль

В автомобиле согласуется много различных параметров (габаритно-весовые, скорость вращения двигателя, параметры топлива, присадок и смазочных материалов и т. д.).

13.6. Построение новой системы

13.6.1. Общий подход

Для построения новых систем используется системный подход, включающий системный анализ и системный синтез (п. 1.7.2, книга 1).

Системный анализ имеет два направления:

1. Выявление принципа действия, главной функции и потребности исследуемой системы;

2. Выявление недостатков (п. 1.7.3, книга 1).

Новую систему можно строить для существующих или альтернативных принципов действия, функций и потребностей.

Альтернативные принципы действия можно найти, используя различные виды эффектов и трансфер технологий. Альтернативные функции можно выявить, применяя закономерности изменения функций (глава 12, книга 2). Альтернативные потребности можно выявить, используя закономерности развития потребностей (глава 11, книга 2).

13.6.2. Последовательность построения новой системы

1. Анализ существующих систем

1.1. Бенчмаркинг;

1.2. Анализ выявления недостатков.

2. Определение потребности, которую необходимо удовлетворить.

3. Выбор главной функции, способной удовлетворить выбранную потребность.

4. Выбор принципа действия, способного наилучшим образом выполнить главную функцию.

5. Выбор вида рабочего органа, способного наилучшим образом выполнять принцип действия системы.

6. Выбор источника и преобразователя вещества, энергии и информации. Они должны наилучшим образом обеспечивать работоспособность системы.

7. Выбор системы управления.

8. Выбор связей. Существенным образом зависит от выбранных элементов.

Анализ существующих систем

Бенчмаркинг

Первоначально желательно проводить анализ наилучших систем на рынке (бенчмаркинг). Этот анализ проводится по определенным продуктам, параметрам этих продуктов и главным функциям продуктов. Он проводится с целью определения наивысших показателей в мире по данному продукту и по данной функции. Таким образом выявляется эталон, к которому следует стремиться или даже превысить его.

Анализ выявления недостатков

Выявление недостатков осуществляется по методике изложенной в п. 1.7.3, книга 1.

Определение потребности

1. Определение потребности, которую удовлетворяет исследуемая система, например, используя системный анализ (п. 1.7.2, книга 1).

2. Выявление альтернативных потребностей, используя закономерности развития потребностей (глава 11, книга 2).

3. Выбор наилучшей потребности. Критерии выбора определяет компания.

Выбор главной функции

1. Определение главной функции, исследуемой системы, например, используя системный анализ (п. 1.7.2, книга 1).

2. Выявление альтернативных главных функций, используя закономерности изменения функций (глава 12, книга 2).

3. Выбор наилучшей главной функции. Критерии выбора определяет компания.

Выбор принципа действия

1. Определение принципа действия, исследуемой системы, например, используя системный анализ (п. 1.7.2, книга 1).

2. Выявление альтернативных принципов действия, используя различные виды эффектов (физические, химические, биологические, геометрические и т. п.) и/или трансфер технологий.

3. Выбор наилучшего принципа действия. Критерии выбора определяет компания.

Выбор вида рабочего органа

Рабочий орган должен наилучшим образом выполнить выбранный принцип действия системы.

Выбор источника и преобразователя

Источник и преобразователь вещества, энергии и информации должны наилучшим образом обеспечить работоспособность рабочего органа.

Выбор системы управления

Система управления должна наилучшим образом создавать работоспособность всей системы.

Выбор связей

Связи между элементами должны наилучшим образом создавать работоспособность всей системы.

13.6.3. Построение судна

Описание альтернативных способов построения судна начнем с выявления главной функции.

Главная функция судна — перемещение по воде.

Ниже мы представим некоторые альтернативы исполнения рабочего органа, источника и преобразователя энергии, систем управления и корпусов.

Первоначально рассмотрим возможные виды рабочего органа. Рабочим органом любого средства передвижения, в том числе и судна, является движитель.

Движитель

На поверхности воды движитель для реакции опоры может использовать воздух, воду, их сочетание или одновременно две среды.

Первоначально рассмотрим альтернативы движителей, использующих воздух.

Пример 13.41. Движители, использующие воздух

К движителям, использующим энергию ветра, относятся: парус, крыло, вращающийся ротор и т. д. В судостроении их принято называть ветродвижителями (рис. 13.10).

Теперь рассмотрим альтернативы движителей, использующих воду.

Пример 13.42. Движители, использующие воду

Воду для «опоры» используют следующие движители: весло, гребное колесо и гребной винт, водомет, реактивная струя (рис. 13.11).

Источник и преобразователь энергии Двигатель

В качестве двигателей в судах используют: дизель, турбину, атомный реактор и значительно реже электродвигатель. Раньше использовали весла, паровой двигатель.

Пример 13.43. Двигатели

Наиболее часто встречающиеся в судостроении двигатели показаны на рис. 13.12.

Источники энергии

Существует много различных источников энергии. В судостроении в основном используются нефтепродукты. В меньшей степени используется атомная энергия. Снова начинают использовать энергию ветра (некоторые примеры были приведены выше). Незначительно используется энергия солнца. Совсем не используется вода и движение волн.

В автомобилестроении имеются тенденции уменьшить загрязнение окружающей среды. Уже выпускаются гибридные автомобили, использующие комбинированные источники топлива.

Многие компании сейчас разрабатывают автомобили, использующие экологически чистые виды энергии:

•      электричество;

•      водород;

•      воду;

•      воздух;

•      биологическое топливо.

Пример 13.44. Водяной двигатель

В. Д. Дудышев предложил проект водяного двигателя. Двигатель работает за счет создания электрогидравлического давления воды, образованного электрогидравлическим ударом. Эта энергия преобразуется в механическую, например, за счет движения поршня аналогично ДВС или иным путем, например, роторными, по аналогии с роторным двигателем Ванкеля.

На рис. 13.13 представлен электроводяной поршневой двигатель. При электроразряде через воду происходит электрогидравлический удар. В рабочей камере двигателя образуется перепад давления воды, который перемещает поршень.

Для сглаживания динамической нагрузки в момент такого удара предложен специальный электромагнитный демпфер-накопитель. Этот управляемый по силе удар образуется в момент мощного электрического (искрового, дугового) разряда через жидкость (электрогидравлический эффект Юткина).

Пример 13.45. Воздушный двигатель

Индийская компания Tata создала автомобиль под названием Air Car (рис. 13.14). Двигатель к этому автомобилю разработал французский конструктор Гай Негре. В качестве топлива используется сжатый воздух, который вырабатывается уникальным компрессором. «Топливо» находится в карбоновых баллонах объемом 340 л. Заправить автомобиль можно за две минуты на любой АЗС или с помощью прилагаемого компрессора за 4 ч. По расчетам производителей, заправка автомобиля на АЗС обойдется не дороже полутора долларов. Между двумя полными заправками Air Car способен пройти до 200 км при максимальной скорости 109 км/ч.

Принцип работы двигателя Негре — смешение горячего и холодного воздуха, сжатого до давления в 300 атмосфер. Два этих потока, попадая в одну емкость, резко расширяясь, перемещают поршень ДВС.

Преимущества нового типа топлива очевидны: никаких вредных выхлопов, экономия расходных материалов — масло можно будет менять только после 50 000 км.

Пример 13.46. Биологическое топливо

Компании Tokyo Metropolitan Government, Nippon Oil Corporation (NOC), Toyota Motor Corporation (TMC) и Hino Motors, Ltd. (Hino) разработали второе поколение биологического топлива.

Описанные выше двигатели могут быть приспособлены и для судов.

Выше приведены примеры использования энергии ветра в ветродвижителях. Рассмотрим некоторые другие возможности.

Пример 13.47. Ветряк

Канадский изобретатель Фред Фергюсон (Fred Ferguson) и его компания Magenn Power разработали новый тип ветрогенератора (рис. 13.15), названный Magenn Power Air Rotor System (MARS), представляющий собой привязной вращающийся ротор, заполненный гелием. Ветряк поднимается на высоту 120–300 м.

Ротор снабжен лопастями-чашками и вращается в горизонтальной плоскости. Привязь и кабель, по которому энергия доставляется вниз, подведены к оси аэростата, на которой находятся электрогенератор и стабилизаторы.

Возникающий эффект Магнуса повышает стабильность аппарата, так как при росте скорости ветра MARS стремится подняться выше вместо того, чтобы прижиматься к земле, как делал бы простой воздушный шарик на привязи. Благодаря чему ветряку не требуется какого-то специального управления.

По расчетам компании, MARS сможет нормально работать при скоростях ветра 1–28 м/с. Этот диапазон шире, чем у распространенных типов ветрогенераторов.

Можно предположить, что такие ветрогенераторы будут использоваться на судах.

Покажем некоторые примеры использования энергии солнца.

Пример 13.48. Парус — солнечная батарея

Построены яхты, у которых паруса-крылья покрыты солнечными батареями (рис. 13.16). Паруса могут не только вращаться вокруг вертикальной оси, но и наклоняться, отслеживая солнечные лучи.

Имеются проекты использования морских течений, приливов, отливов и движения волн.

Пример 13.49. Волновые электростанции

Австралийская компания BioPower спроектировала оригинальные вариации приливных и волновых электростанций (рис. 13.17).

В волновой станции BioWAVE используются поплавки, погруженные в воду. Аппарат крепится ко дну на сравнительно небольшой глубине. Подводные потоки, раскачивающие поплавки, приводя в движение генератор. Во время шторма поплавки наклоняются вниз и укладываются параллельно дну.

Станция BioSTREAM утилизирует энергию приливных течений, используя лопасть в виде хвостового плавника акулы. Плавник прикреплен к 20-метрововму рычагу, сидящему на валу электрогенератора, вырабатывающего электроэнергию за счет движения. Такой плавник как флюгер улавливает движение воды в любом направлении.

Возможно, в будущем двигатели на судах будут использовать комбинации различных видов экологически чистых источников энергии.

Корпус

Корпуса могут различаться по их количеству, виду и материалу, из которого они сделаны.

Количество корпусов

Пример 13.50. Количество корпусов судна

Один корпус — рис. 13.18а, два корпуса — катамаран (рис. 13.18б), три корпуса — тримаран (рис. 13.18в), четыре и более корпусов — полимаран (рис. 13.18г). Судно с пятью корпусами называется пентамораном (рис. 13.18г).

Материал корпуса

Пример 13.51. Материал корпусов судна

Первые суда строили из папируса, тростника и дерева. В дальнейшем слали использовать различные металлы (стали, алюминий, титан), пластмассы, стекловолокно и т. д.

Вид корпуса

Рассмотрим некоторые виды судов:

— плот;

— водоизмещающий корпус;

— полупогруженный корпус;

— с подводными крыльями;

— на воздушной подушке;

— экраноплан;

— подводное судно.

Система управления

Системы управления могут быть: непосредственные, дистанционные; ручные, механические, полуавтоматические, автоматические.

Современные суда имеют компьютерную систему управления со спутниковой системой навигации (GPS).

Разработка концепции

Мы показали только некоторые из видов минимально необходимых частей системы.

С выявления и выбора частей системы начинается проектирование новой системы. В дальнейшем мы используем другие законы построения систем. Осуществляется минимальное согласование между частями системы, устанавливаем связи между ними, и подбирает дополнительные элементы. Как правило, эти операции проделываются несколько раз на разных уровнях.

Предложим проект будущего судна.

Суда будущего должны использовать только экологически чистые источники энергии и, прежде всего, все ресурсы моря (солнце, ветер, воду, волны, течения, статическое давление, соленость воды и т. д.).

Опишем проект, предложенный шведско-норвежской транспортной компанией Wallenius Wilhelmsen.

Пример 13.52. Концепция экологически чистого судна — E/S Orcelle

Шведско-норвежская транспортная компания Wallenius Wilhelmsen представила на всемирной выставке EXPO-2005 в Японии концепцию экологически чистого судна — E/S Orcelle (рис. 13.19).

Этот большой транспортный корабль типа ро-ро (с погрузкой через откидную аппарель) предназначен для перевозки 10 000 автомобилей через океан, используя только возобновляемые, экологически чистые источники энергии — солнечный свет, ветер и волны.

Судно содержит три паруса-крыла, на которых установлены солнечные батареи. Шарнирное крепление парусов позволяет им наклоняться и вращаться. Таким образом, в штиль, когда эти крылья не работают в качестве парусов, их можно сориентировать точно на Солнце, добиваясь максимальной отдачи фотоэлектрических пленок.

Это полупогруженное судно, выполненное из алюминия и пластмасс.

Между главным корпусом и боковыми (спонсонами) проходят 12 горизонтальных подвижных плавников-крыльев, утилизирующих энергию волн, когда судно идет под парусами или стоит на якоре.

Эти же плавники могут работать и движителями — в этом случае их силовой привод питается от корабельной энергетической сети. Судно движется подобно рыбе — за счет колебаний плавников.

Кроме того, имеются и традиционные движители — винты, вынесенные вниз на обтекаемых колонках. Электродвигатели находятся непосредственно у винтов — в обтекаемых герметичных капсулах.

В энергосистеме этого транспорта в качестве мощнейших накопителей энергии используются топливные элементы. Они питаются водородом, который вырабатывается из морской воды в то время, когда мощности солнечных батарей и волновой установки максимальны.

Ночью судно может использовать запасенную энергию для движения и питания систем вентиляции, освещения и т. д.

Площадь восьми грузовых палуб судна эквивалентна площади 14 футбольных полей (85 тыс. м2).

Его длина составляет 250 метров, ширина — 50 метров, осадка — 9 метров.

Площадь парусов Orcelle — 4,2 (3 x 1,400) тыс. м2, из которых 2,4 (3 x 800) тыс. м2 покрыты солнечными панелями. Их мощность достигает 2,5 мегаватта. Мощность топливных элементов составляет 10 мегаватт. Максимальная скорость судна составляет 20 узлов, а экономическая — 15 узлов.

Данный проект может быть распространен и на другие типы судов, в том числе и пассажирские. Для большей остойчивости и меньшей подверженности качке необходимо использовать корпус с двумя подводными цистернами. Судно следует оснастить парусной системой, ветрогенераторами типа MARS (рис. 13.15) и т. п. Кроме того, солнечные батареи могут быть вынесены на надувных плоскостях выше туч и постоянно получать электрическую энергию в дневное время суток.

13.6.4. Домашний пылесос

Пример 13.53. Системный анализ

Выявим принцип действия, главную функцию и потребность, которую удовлетворяет пылесос.

Принцип действия у всех домашних пылесосов удаление пыли с объекта происходит посредством создания разряжения (всасывание потока пыли) с помощью турбины, вращающейся электрическим двигателем. Таким образом, принцип действия — вращение турбины электродвигателем.

Функция — двигатель вращает турбину, тем самым создается поток воздуха, который проходя сквозь емкость в корпусе пылесоса создает разряжение.

Потребность — избавиться от пыли дома.

В дальнейшем могут быть выбраны или разработаны альтернативные продукты (услуги), использующие тот же принцип действия, или альтернативные продукты (услуги), выполняющие туже функцию или альтернативные продукты (услуги), удовлетворяющие данную потребность (рис. 13.20).

Примечание. Под эффектами понимается не только физические, химические и биологические эффекты, но и технические эффекты, т. е. трансфер технологий.

Для того же принципа действия можно разработать новый альтернативный продукт (услугу). Для той же функции можно подобрать или придумать новый принцип действия и для него создать новый альтернативный продукт (услугу). Для той же потребности можно подобрать новую функцию, удовлетворяющую данную потребность. И так, альтернативные продукты могут создаваться для тех же или новых потребностей функций и принципов действия.

При разработке нового продукта желательно получить как можно более широкий набор альтернатив.

Для этого желательно иметь как можно более широкий набор принципов действий, функций и потребностей.

Альтернативные принципы действия можно получить, используя физические, химические, биологические и геометрические эффекты или трансфер технологий.

Для получения альтернативных функций и потребностей можно использовать закономерности изменения функций и развития потребностей (главы11 и 12, книга 2).

Пример 13.54. Определение альтернативных потребностей

Для выявления альтернативных потребностей будем использовать закономерности развития потребностей (глава 11, книга 2).

Идеализация потребностей

1. Пыль должна убираться в момент ее появления, в месте, где она появилась, при условии, что она появляется более определенной величины.

2. Пыль должна убираться полностью — 100%.

3. Помимо убирания пыли пылесос может удовлетворять и другие потребности, например увлажнять и/или ионизировать воздух.

4. На убирание пыли практически не затрачивается время.

5. Нет необходимости в уборке были. Создать условия, чтобы она не появлялась вообще.

Динамизация — стабилизация потребностей

Потребность убирания были адаптивная. Она приспособляется к времени уборки пыли, к тому пространству, где это необходимо делать, к объекту с которого нужно убирать пыль (материалу, форме и т. д.), к условиям (требованиям), которые предъявляет конкретный человек и т. д. Потребности могут быть стабильные в зависимости от конкретных условий и требований людей.

Объединение — специализация потребностей

1. Потребность в уборке пыли только определенного качества, например, волос или частичек кожи.

2. Потребность в уборке пыли разной величины.

3. Потребность в уборке другого вида пыли.

4. Потребность в уборке не только пыли, а например, и бактерий, микробов, вирусов и т. д.

5. Потребность в накоплении пыли, например, для исследовательских целей или использования были.

6. Пылесос создается только для уборки специализированного вида пыли.

Согласования потребностей

Согласование потребности в уборке пыли может осуществляться по всем указанным ранее видам, всех параметров пыли, ее структуре, по условиям предъявляемым человеком, по пространству и времени, где и когда необходимо убирать пыль.

Пример 13.55. Определение альтернативных главных функций

Для выявления альтернативных главных функций, используя закономерности изменения функций (глава 12, книга 2).

Идеализация главных функций

1. Что такое нужный момент — момент появления пыли.

Что такое нужное место — место появления пыли.

Что такое необходимое условие –количество, появившееся пыли, начиная с которого, следует ее убирать.

2. Идеально, когда убирается 100% пыли.

3. На сегодняшний момент пылесос помимо уборки пыли используется, как пульверизатор и увлажнения воздуха.

Значит пылесос должен выполнять и другие новые функции, например, создавать запах в комнате, ионизировать воздух и т. д.

4. Сегодня уже существуют роботы-пылесосы. Мы не затрачиваем время и силы на уборку пыли, но они убирают пыль достаточно долго и только с пола.

5. Методика выявления недостатков пылесоса будет описана в п. 13.7, пока укажем один из недостатков: пылесос создает шум. Значит необходимо разработать пылесос, не создающий шум.

6. Значит необходимо создать условия, когда не нужно убирать пыль.

Динамизация функций

Пылесос должен приспосабливаться под условия конкретного места, конкретных хозяев и т. д.

Переход к моно- или поли-функциональности и функции более высокого порядка

Выявим функции более высокого порядка

1. Отделение пыли от объекта.

2. Функция еще более высокого порядка — это соблюдение чистоты.

Свертывание функций

Функция должна быть передана системе соблюдения чистоты.

Развертывание функций

Должны выполняться не только функция соблюдения чистоты, но и другие функция необходимые дома. Таким образом мы переходим к концепции «умного дома».

Согласования функций

Все функции должны быть согласованы. Мы снова переходим к концепции «умного дома».

Более высокие уровни — «умный город», «умная страна» и «умная планета».

Пример 13.56. Разработка принципа действия

В настоящий момент принцип действия пылесоса для функции создания разрежения — это вращение турбины с помощью электрического двигателя, которое создает поток воздуха и с его помощью воздух «вытеснялся» из емкости, создавая разряжение.

Опишем некоторые альтернативные принципы действия (способов создания разряжения).

1. Расширение камеры, например, движение поршня;

2. Разность температур;

3. Использование закона Бернулли и его следствий;

4. Эффект Вентури, например, расходомер Вентури, трубка Вентури и струйный насос;

5. Эжекция;

6. И т. д.

Используя новые способы получения разряжения, можно разработать новый пылесос.

Для функции фильтрации потока пыли используются разные принципы действия:

1. Задержка пыли с помощью материала:

1.1. Бумажный материал (бумажный фильтр);

1.2. Тканный материал.

2. Использование центробежных сил для отделения пыли;

3. Использование воды для отделения пыли;

4. Новый принцип действия — использование статического электричества.

Можно разработать новый пылесос использующий старый принцип действия для отделения пыли от объекта и новый принцип действия — статическое электричество для отделения пыли из потока пыли.

Пример 13.57. Построение древовидного графа

Строится древовидный граф потребностей, функций, принципов действий и продуктов. При этом используются

На каждом этапе выбирается наиболее подходящие потребность, главную функцию, наилучший принцип действия и наилучший продукт (услугу).

На рис. 13.21 показана часть упрощенного древовидного графа разработки нового продукта.

Главная потребность — соблюдение чистоты, которая должна осуществляться для самого человека, дома во всех помещениях, одежде, пастельном белье и т. д.

Для пылесоса главная функция — отделение пыли.

Некоторые из основных функций — отделение пыли от запыленного объекта, сбор пыли, отделение пыли от потока пыли, удаление или использование пыли.

Опишем некоторые из приведенных ранее принципов действия.

Для функции отделение пыли от запыленного объекта — разряжение, статическое электричество.

Для функции сбор пыли — мешок, контейнер, вода.

Для функции отделение пыли от потока пыли — ткань, центрифуга, вода, статическое электричество.

Для функции использование пыли — способы использования пыли.

Альтернативные виды продуктов не показаны на рис. 13.21.

Пример 13.58. Использование законов построения для разработки пылесоса

Закон полноты частей системы.

Рабочий орган в пылесосе — это разряженный воздух.

Источник энергии — это электричество. Для обычных пылесосов это розетка, в которую включается вилка. Для робота еще дополнительно имеется аккумулятор внутри робота. Некоторые типы пылесосов тоже имеют аккумулятор.

Преобразователь энергии:

1. электродвигатель преобразует электрическую энергию во вращательную (вращение вала).

2. вращение вала вращает турбину.

Преобразователи вещества:

1. Преобразование воздуха.

— Вращение турбины преобразует неподвижный воздух в поток воздуха (движущийся воздух);

— Прохождение потока сжатого воздуха через камеру делает поток разряженный. Сжатый воздух преобразуется в разряженный.

2. Преобразование пыли:

— Смешение пыли с водой — водный (аква) фильтр;

— Прессование (брикетирование) пыли. В некоторых пылесосах имеется такая функция.

Преобразователи информации — управление пылесосом:

— Ручное, нажатие на кнопки и переключатели;

— Автоматическое в роботе.

Законы проводимости потоков и минимальное согласование.

Все потоки должны проходить от источники до необходимого места.

Поток воздуха должен проходить от турбины (источник потока воздуха) в камеру, из камеры к выходному отверстию, в трубу и насадку и от нее к запыленному объекту. От запыленного объекта поток пыли должен проходить по насадке, трубе, выходному отверстию и доходит до фильтра. Чистый поток воздуха после фильтра должен выходить через другое выходное отверстие в комнату.

Все части пылесоса и его потоки должны быть минимально согласованы, чтобы сделать пылесос работоспособным.

13.7. Анализ недостатков

Анализ системы для определения ее недостатков проводится в следующей последовательности (п. 1.7.3, книга 1):

1. Компонентный анализ.

2. Структурный анализ.

3. Функциональный анализ функций.

4. Диагностический анализ.

Выявим недостатки домашнего пылесоса.

13.7.1. Компонентный анализ пылесоса

Основные функции пылесоса:

1. Отделение пыли от запыленного объекта;

2. Отделение пыли из потока пыли;

3. Сбор были.

Функцию отделение пыли от запыленного объекта у всех существующих пылесосов осуществляется с помощью разряженного воздуха (всасывание пыли).

Функцию отделение пыли из потока пыли осуществляют фильтры.

Функцию сбора были осуществляют различные устройства.

Фильтры бывают:

1. В виде мешка:

1.1. Матерчатый мешок (постоянный);

1.2. Бумажный (сменный).

2. Циклонный фильтр;

3. Аквафильтр (водяной фильтр);

4. Дополнительный фильтр тонкой очистки — HEPA-фильтр.

Сбор пыли осуществляется в мешках или в контейнерах. Имеются контейнеры с возможностью прессования пыли.

В данном примере не будем рассматривать виды и конструкции фильтров и устройств сбора пыли.

Компоненты системы:

1. Объект запыления;

2. Пыль;

3. Воздух;

4. Двигатель;

5. Турбина;

6. Поток воздуха;

7. Емкость;

8. Разряженный воздух;

9. Поток пыли;

10. Фильтр;

11. Пылесборник;

12. Выходной канал;

13. Шум.

13.7.2. Структурный анализ пылесоса

Для определения связей между элементами системы построим матрицу связей элементов (компонентов) пылесоса.

13.7.3. Функциональный анализ пылесоса

13.7.4. Диагностический анализ

В соответствии с таблицей 13.3 оценку функций на рис. 13.23 обозначим цветом.

Полезную функцию обозначим зеленым цветом.

Вредную — красным.

Бесполезную — голубым.

Функциональная схема с оценкой функций показана на рис. 13.24.

В учебных целях был продемонстрирован очень упрощенный пример методики выявления недостатков. В действительности следует учесть все возможные элементы в системе и ее окружении и все возможные воздействия, и взаимодействия и оценить эти воздействия.

В этом примере, например, мы не оценивали функции по степени выполнения полезных функций (достаточные, избыточные и недостаточные).

По итогам такого анализа выявляются не только вредные, но и избыточные и недостаточные функции и при синтезе новой системы пытаются избавиться от этих функций.

В данном примере мы выявили недостаток — создание шума. Источниками этого шума служат: двигатель и потоки воздуха (сжатого и разряженного).

Соответственно при разработке нового пылесоса прежде всего нужно избавиться или в крайнем случае значительно уменьшить шум.

Если создать пылесос использующий принцип действия статическое электричества, но не только не будет шум от двигателя, но и от потоков воздуха, так как эти элементы не будут присутствовать. С помощью статического электричества можно будет отделать пыль от объекта запыления и не будет создаваться потоки воздуха (сжатого и разряженного) и поток пыли. Функция отделение пыли из потока пыли будет свернута.

13.8. Выводы

Законы построения систем используются при построении новых систем и предназначены для создания работоспособной системы, отвечающей системным требованиям.

К законам построения систем относятся:

— закон полноты и избыточности системы;

— закон проводимости потоков;

— закон минимального согласования частей и параметров системы.

13.9. Самостоятельная работа

13.9.1. Контрольные вопросы

1. Опишите структуру законов построения систем.

2. Дайте определение закону соответствия. Приведите примеры.

3. Дайте определение закону полноты и избыточности системы. Приведите примеры.

4. Дайте определение закону проводимости потоков. Приведите примеры.

5. Дайте определение закону минимального согласования системы. Приведите примеры.

6. Опишите последовательность построения новой системы.

7. Опишите этапы методики выявления недостатков.

8. Опишите компонентный анализ.

9. Опишите структурный анализ.

10. Опишите функциональный анализ.

11. Опишите диагностический анализ.

13.9.2. Темы докладов и рефератов

1. История появления и развития законов построения систем.

2. Обзор методов выявления недостатков.

13.9.3. Выполните задания

1. Продемонстрируйте законы построения систем и выявите недостатки холодильника по указанной методике.

2. Продемонстрируйте законы построения систем и выявите недостатки кондиционера по указанной методике.

3. Продемонстрируйте законы построения систем и выявите недостатки стиральной машины по указанной методике.

4. Продемонстрируйте законы построения систем и выявите недостатки посудомоечной машины по указанной методике.

5. Продемонстрируйте законы построения систем и выявите недостатки любого другого продукта по указанной методике.

Глава 14. Структура закономерностей эволюции систем

Закономерности эволюции систем предназначены для улучшения, совершенствования существующих систем. Они показывают общее направление развития систем и тенденции их изменения.

14.1. Тренд — анти-тренд

Каждая из закономерностей эволюции систем осуществляется определенными тенденциями (трендами), которые имеют противоположные тенденции — анти-тенденции (анти-тренды). Кроме того, имеются механизмы, осуществляющие закономерности (рис. 14.1).

В связи с этим практически каждая из закономерностей имеет свою противоположную тенденцию. Особенности применения закономерности и ее противоположности будут описаны ниже.

Большая часть систем развивается по основным трендам. Некоторые виды систем развиваются по анти-тенденциям или сочетание тенденции и анти-тенденции.

14.2. Основные закономерности эволюции систем

Основные из закономерностей эволюции систем следующие (рис. 14.2):

— закономерность увеличения степени идеальности;

— закономерность увеличения степени управляемости и динамичности;

— закономерность увеличения степени согласования;

— закономерность перехода в надсистему;

— закономерность перехода на микроуровень;

— закономерность свертывания;

— закономерность сбалансированного развития систем.

Кроме того, имеется закономерность использования пространства.

14.3. Полная система закономерностей эволюции систем

С учетом анти-тенденций группа закономерностей эволюции систем имеет вид (рис. 14.3):

— закономерность изменения степени идеальности;

— закономерность изменения степени управляемости и динамичности;

— закономерность согласования — рассогласования;

— закономерность перехода в над- и подсистему;

— закономерность перехода на микро- и макроуровень;

— закономерность свертывания — развертывания;

— закономерность сбалансированного — неравномерного развития систем.

Общее направление развития систем определяется закономерностью увеличения степени идеальности. Это самая главная закономерность эволюции систем.

Закономерность изменения степени управляемости и динамичности занимает значительный объем, поэтому для удобства пользования, мы ее вынесли в отдельную книгу.

14.4. Самостоятельная работа

14.4.1. Контрольные вопросы

1. Предназначение закономерностей эволюции систем.

2. Что такое тренд и анти-тренд.

3. Опишите структуру основных закономерностей эволюции систем.

4. Опишите полную структуру закономерностей эволюции систем.

Глава 15. Закономерность изменения степени
идеальности

Понятие об идеальной машине — одно из фундаментальных для всей методики изобретательства.

Г. С. Альтшуллер

Самая лучшая деталь в танке та, которой в нем нет! Действительно — она уж точно не сломается и не сгорит…

М. И. Кошкин,

главный конструктор танка Т-34

15.1. Общие представления

Закономерность изменения степени идеальности является основной из закономерностей эволюции систем (рис. 15.1).

Закономерность изменения степени идеальности включает две закономерности:

1) закономерность увеличения степени идеальности;

2) закономерность уменьшения степени идеальности (анти-идеальность — тенденция уменьшения идеальности).

15.2. Общие понятия закономерности увеличения степени идеальности

Общее направление развития систем определяется закономерностью увеличения степени идеальности. Это самая главная закономерность эволюции систем.

Г. Альтшуллер сформулировал ее как закон увеличения степени идеальности.

«Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности».

Автор незначительно изменил эту формулировку.

Закономерность увеличения степени идеальности заключается в том, что любая система в своем развитии стремится стать идеальнее.

Одно из направлений увеличения степени идеальности — это максимальное уменьшение избыточности. Под уменьшением избыточности понимается уменьшение функциональной и структурной избыточности.

Уменьшение функциональной избыточности означает максимально возможное уменьшение дополнительных функций, такое, чтобы оно не отразилось на выполнении главной функции системы, т. е. функциональность системы выполнялось бы на том же или лучшем уровне.

Уменьшение структурной избыточности предусматривает уменьшение «лишних» частей и связей в системе. При этом система должна не только остаться работоспособной, но и не должна пострадать функциональность — она должна выполняться на том же или лучшем уровне.

Уменьшение избыточности может осуществляться использованием закономерности свертывания.

Направление идеализации определяется закономерностями повышения степени управляемости и динамичности, согласованием-рассогласованием, переходом в над- и подсистему, переходом на микро- и макроуровень, и свертывания-развертываниясистем.

15.3. Виды степеней идеализации системы

Условно можно выделить четыре степени идеализации системы.

1. Появляться в нужный момент в нужном месте.

2. Самоиполнение.

3. Идеальная система — это функция.

4. Функция становится не нужной.

15.3.1. Система появления в нужный момент в нужном месте

Идеальная система должна появляться в нужный момент в необходимом месте или при необходимом условии и нести полную (100%) расчетную нагрузку.

В остальное (не рабочее) время этой системы быть не должно (она должна исчезнуть) или выполнять другую полезную работу (функцию).

Приведем пример идеального воздействия (процесса), совершаемого в нужном месте в нужный момент, не причиняя вреда окружению.

Пример 15.1. Остановка крови

Внутренние кровотечения в полевых условиях практически невозможно остановить. Это часто приводит к смертельным исходам. Особенно это важно во время ведения боевых действий.

Американские ученые разработали технологию DBAC (Deep Bleeder Acoustic Coagulation), позволяющую быстро свертывать кровь путем нагрева до температуры свертывания (от 70 до 95° C) под воздействием ультразвука.

Обнаружение кровотечения осуществляется с помощью эффекта Доплера.

Для обнаружения кровотечения прибор подает ультразвуковые импульсы и в месте кровотечения наблюдает максимальное смещение частоты сигнала. Так локализуется место кровотечения.

Ультразвуковые волны воздействуют только на пораженный участок и совершенно не влияют на работу расположенных рядом органов.

Пример 15.2. Печать по требованию (Print-on-Demand)

Традиционно книги печатают офсетным способом. Это очень производительная и качественная печать. После этого продукцию необходимо доставить в необходимую страну на конкретный склад, где она хранится до тех пор, пока не будет вся распродана.

Идеально, чтобы печаталось только необходимое в данный момент количество экземпляров и в нужном месте.

С появлением цифровой печати стало возможным печатать продукцию по требованию. Такая технология получила название Print-on-Demand. Это высококачественная печать, позволяющая выпустить даже одну книгу. Продукция не хранится на складах, а сразу поступает к заказчику.

Предмет должен появиться только в нужный момент в необходимом месте.

Можно использовать убирающиеся, складные, надувные, заменяемые и съемные предметы или их части. Они не занимают лишнее место и «появляются» в тот момент, когда они нужны.

15.3.2. Самоисполнение

Идеальная система должна выполнять все процессы (действия) самостоятельно без участия человека.

Пример 15.3. Каменщики в Петербурге

Для строительства Петербурга не хватало каменщиков. Они не хотели ехать в далекую новую столицу.

Царь Петр I издал указ об освобождении петербургских каменщиков от податей, но эта мера не помогла.

Каменщики сами по собственному желанию должны прибыть на строительство Петербурга.

Петр I издал другой указ, запрещающий возводить во всей России «всякое каменное строение какого бы имени ни было, под страхом разорения всего имения и ссылки». Каменные здания стали возводиться только в Петербурге, что и вызвало приток каменщиков.

Достаточно много технических систем, в названии которых есть слово «сам» — без непосредственного участия человека. Уменьшение участия человека в работе технической системы осуществляется с помощью механизации, автоматизации и кибернетизации, в частности, компьютеризации и интеллектуализации.

Механизация труда позволяет облегчить выполнение отдельных операций, повысить их производительность и точность изготовления. Создаются специализированные инструменты, приспособления и механизмы.

Пример 15.4. Надевание автомобильных шин на конвейере

Одна из операций при сборке автомобилей — надевание колес. Конвейер находится на определенной высоте, для удобства сборки. При надевании колеса на вал, его нужно или поднимать вручную, или иметь специальное устройство для его поддержания.

Колесо должно подниматься само.

Колесо размещают на тележке сверху (рис. 15.4а). Когда необходимо надевать колесо, рабочий нажимает кнопку, тележка наклоняется, колесо падает вниз (рис. 15.4б), ударяется о пол, подскакивает (само поднимается). Когда колесо оказывается на уровне оси, рабочий направляет колесо на ось.

Автоматизация труда избавляет человека от выполнения физического труда. Все операции выполняются самостоятельно. Человек выполняет только функции управления или вообще не касается этого процесса.

Пример 15.5. Стиральная машина

Стиральная машина сама (по программе) выполняет необходимую работу.

Более высокий уровень автоматизации — использование эффектов.

Пример 15.6. Самоочищающееся стекло

В английской компании Pilkington создали первое в мире оконное стекло, которое само себя очищает от грязи, разрушая органическую грязь, используя солнечный свет и дождевую воду. Его назвали PilkingtonActiv.

Удаление грязи ведется непрерывно, а ее смыв происходит тогда, когда идет дождь, или при поливании стекла водой из шланга.

В наружной поверхности стекла вмонтирована тонкая прозрачная пленка из окиси титана (диоксида титана — TiO2). Под действием света происходит фотокаталитический процесс, который разрушает грязь. TiO2 — белый порошок, поэтому, чтобы пленка была прозрачной, ее сделали толщиной 15 микрон. Чтобы грязь не приставала к стеклу, его поверхность сделали гидрофобной. Использовали физический эффект.

Стекло имеет эффект зеркала и синеватый отлив.

Наиболее дешевый способ идеализации — использование ресурсов.

Пример 15.7. Капсульная эндоскопия

Эндоскопия — способ осмотра некоторых внутренних органов при помощи эндоскопа. Эндоскоп представляет собой прибор, имеющий камеру, которая с помощью волоконной оптики передает изображение на экран телевизора. Продвижение камеры осуществляет врач.

Выпускается капсула, позволяющая исследовать тонкий кишечник. Такую капсулу проглатывают. и она сама посредством перистальтики передвигается по желудочно-кишечному тракту и передает фотографии тонкого кишечника на датчики. Информация записывается на специальном приборе, который вешается на пояс пациента с помощью специальной сумки. Пациент не ощущает никаких неудобств и неприятных ощущений, которые происходят при традиционной эндоскопии.

Кибернетизация труда избавляет человека от управления процессом. Более высокие степени кибернетизации (компьютеризация, интеллектуализация) — это автоматизация мыслительной деятельности.

В качестве примеров можно привести шахматные компьютерные программы, программы — переводчики текстов на различные языки, экспертные системы и системы искусственного интеллекта и т. д.

15.3.3. Идеальная система — функция

Идеальной системы быть не должно, а ее работа должна выполняется как бы сама собой, по мановению волшебной палочки.

Функция должна выполняться без средств.

Идеальная система — это система, которой не существует — ее нет, а ее функции выполняются в нужный момент, в необходимом месте или при необходимом условии (причем в это время система несет 100% расчетную нагрузку), не затрачивая на это вещества, энергии, времени и финансов.

Таким образом, идеальная система должна выполнять полезные функции в нужный момент, в необходимом месте или при необходимом условии, иметь нулевые затраты и не иметь нежелательных эффектов.

Использование информации, если она не требует финансовых затрат, не относится к затратам. Система тем идеальнее, чем больше она использует бесплатной информации.

Тенденция: материальная система заменяется виртуальной или программным обеспечением.

Пример 15.8. DVD-ROM

Сегодня в квартирах часто имеется несколько компьютеров, которые объединяют в единую местную сеть. Тогда встает вопрос, как сэкономить на отдельных частях компьютеров, например, не покупать для каждого компьютера DVD-ROM.

Идеальный DVD-ROM — это отсутствующий DVD-ROM, который выполняет его функцию.

Можно использовать виртуальный DVD-ROM за счет программного обеспечения, которое имеется в операционной системе; например, в Windows эта операция называется «подключение сетевого диска». Таким же образом можно подключать дополнительный жесткий диск с другого компьютера, находящегося в местной сети.

Пример 15.9. Идеальная клавиатура компьютера

Клавиатуры быть не должно, а ее функция должна остаться. Клавиатуру проектируют на ровную поверхность, например, письменный стол (рис. 15.10). Нажатие клавиши определяется по пересечению пальцем определенного луча, проецирующего изображение.