МЕТОДИКА ДАЛЬНЕГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА НАДСИСТЕМНЫХ ТРЕБОВАНИЙ
Горобченко С.Л.. к.т.н., специалист ТРИЗ 2-го уровня, РА ТРИЗ
Кислов А.В., мастер ТРИЗ, РА ТРИЗ
ТРИЗ уже давно называют прикладной диалектикой. Множество сильных решений в области дальнего прогнозирования технических систем* (*Термин "дальнее прогнозирование" введен Литвиным и Герасимовым в 1989 г.) было предложено на основании использования приемов, характерных для диалектического метода. Кроме хорошо освоенного Системного оператора и лестницы диалектического развития систем (см. ГС. Альтшуллер, Творчество как точная наука, М., Радио, 1979) развиваются как более общие подходы к применению приемов, читаемых практически из Гегелевской "Науки логики" и "Философских тетрадей" Ленина, (Кудрявцев А.В. и др.), так и изучаются методы прогнозирования на основе отдельных законов, например, развития по спирали и определения особенностей повторов в развитии технических систем (Ю. Даниловский). Широко известна полемика о развитии ТРИЗ и диалектике (А.В. Кудрявцев и В. Авдевич). Методики дальнего прогнозирования, основанные на поиске ключевых противоречий разрабатываются в работах В.М. Петрова, в системе законов развития техники на основе ЗРТС Ю.П. Саламатова, в обобщенной схеме развития ТС Е. Смирнова, определении связи диалектических законов и законов развития технических систем (Кашкаров А.Г.) и др.
Опыт создания методик точного определения проблемной задачи из исходной ситуации, верного выбора концептуальных направлений и, в целом, выявления тенденций развития и прогнозирования будущего технических систем также интенсивно развиваются в концепции КВКН и технологии анализа эволюции систем (А.В. Кислов).
В своей работе мы хотели бы предложить метод прогнозирования, учитывающий возможность выбора наиболее сильного движения технической системы (ТС), исходя из нахождения, анализа и развертывания ее главного противоречия, требование разрешения которой технической системе задано надсистемой и лежащего в основе ТС. Так, по сути, любая вещь или ТС рождается как устранение некоторого противоречия в потребностях надсистемы, а ее существование, развитие и "смерть" обусловлены существованием и исчерпанием противоречия, положенного в ней также надсистемой. В процессе развертывания технической системы в ней действуют основные законы диалектики, сопровождаемые теми или иными закономерности развития технических систем и иерархически связанные с ними.
Так, развитие ТС под управляющим действием надсистемы, может быть описано фундаментальным взаимодействием рода и индивида, который приобретает в роде и жизнь и развитие и в конечном счете умирает, уступая свое место будущим поколениям. При этом носителем надсистемных требований может быть одна из главенствующих на сегодняшний момент технических систем, как показано на рис.
|
|
|
|
| ||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||
 | ||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||
 |
| |||||||||||||||||||
 | ||||||||||||||||||||
Среди основных критериев взаимодействия на каждом этапе взаимодействия могут быть выделены:
- показатель идеальности системы. Он отражает не только внутреннее совершенство ТС, но в большей степени качество выполнения главной полезной функции.
- Основные этапы взаимодействия надсистемы и системы описываются ниже в табл.
- Количество разновидностей ТС, пытающихся осуществить главные надсистемные требования
- Уровень потребления требуемых ресурсов надсистемы
- Уровень внутрисистемных связей, которые могут сделать систему автономной по отношению к требованиям надсистемы и тем самым вступить с ней в противоречие.
- доходность системы по отношению к надсистемным требованиям
Табл. Основные этапы взаимодействия надсистемы и системы
| Этап развития ТС | Основные взаимодействия надсистемы и системы | Примеры |
| Предрождение | Накапливание противоречий в надсистеме, осознаваемых в виде потребностей и требующих своего разрешения Появление предварительных условий существования ТС - от материалов, технологий и до политических условий В случае отсутствия "критической " массы условий, появление ТС пока возможно только в виде гипотезы, патентов, опытных образцов ТС может находиться в элементах надсистемы и быть невостребованной Ресурсы надсистемы на решение задачи, для которой предназначена будущая ТС, слишком велики | Множество нереализованных патентов, фантастика технологий и пр. Проведение конкурсов со стороны различных организаций - потребителей - "обобщенной потребительской надсистемы", где потребности наиболее выражены |
| Рождение ТС | Переход к окончательному появлению ТС среди множества конкурируемых, но преходящих ее форм Большинство вещей рождаются в виде необходимости удовлетворения надсистемных требований Множество разновидностей ТС для решения надсистемной задачи Реальное существование приобретает ТС, для которой надсистемой созданы практически все условия вписывания в существующую окружающую среду Ресурсы, предоставляемые для развития ТС надсистемой, меньше чем расходы, которые она тратила ранее, что и создает основы для развитие пока еще бездоходной и пока еще недостаточно жизнеспособной новой ТС. В первую очередь новой ТС вытесняется та ТС, которая в наибольшей степени не соответствует возросшим требованиям надсистемы. При развитии лидерских качеств новой ТС развитие других альтернативных ей ТС замедляется или деградирует вовсе. Возможен также и компромиссный вариант, когда ряд устройств новой ТС использует наработанные узлы старой ТС | В начальные моменты рождения ТС рождается и умирает сотни ее новых форм. Патент на винтовой компрессор был выдан в 1858 г, тогда как его реальное использование началось с 20х годов 20-го века |
| Рост ТС | Давление со стороны других ТС, которые до этого момента воплощали собой удовлетворение основных потребностей надсистемы Растут затраты, связанные с вводом новой ТС в жизнь за счет новых барьеров, которые создаются как старыми ТС, так и собственно разными надсистемами при экстенсивном росте ТС и попытке освоения ею новых областей. Происходит вписывание ТС в надсистему и их гармоничная интеграция. Подсистемы, сквозные требования надсистемы в которых не удалось изменить, заменяются на более соответствующие надсистемным. Надсистемные ресурсы разумно тратятся на развитие и жизнь новой ТС Развитие функциональности ТС сглаживает требование надсистемы об уменьшении потребления ресурсов | Борьба старой ТС с новой для удовлетворения конкретной потребности. Появление уникальной проблемы в надсистеме, которая может быть решена только силами рождающейся ТС |
| Зрелость и стабилизация | ТС, достигшая этого уровня становится стандартом или устойчивым материальным воплощением для удовлетворения потребности надсистемы Происходит насыщение потребности и одновременно в связи с развитием потребностей надсистемы накапливаются противоречия между внутренним содержанием развития надсистемы и формой ТС, которая должна служить этому развитию. Попытки улучшить ТС приводят к росту потребляемых ресурсов из надсистемы Лоббирование интересов ТС в надсистеме за счет специализированных технических решений или простого давления за счет своей обособленности в действии ТС Попытки подчинить надсистемные элементы требованиям элементов собственно ТС Увеличение количества элементов и подсистем в ТС, непосредственно не связанных с выполнением функций надсистемы, появление "собственного" пути системы, не способствующего выполнению требования надсистемы Достижение ТС несоразмерно больших размеров для выполнения достаточно простых функций | Рождение стандартов на применение ТС, ее широкое внедрение Наличие барьеров для входа других ТС, создаваемых утвердившейся ТС. Начало противоречий с многими надсистемными требованиями и более отдаленными надсистемами, включая экологическую и пр. Пример. Крейцкопфный компрессор - настоящий монстр среди поршневых компрессоров (ПК), после которого не появилось ни одной удовлетворительной формы ПК на большую производительность. |
| Спад | Противоречие становится неизбежным. Одновременно появляются потребности надсистемы и ее требования, которые не могут быть удовлетворены ограниченной формой ТС. Ресурсы, включая высокоспециализированные, предоставляемые надсистемой на обеспечение работы ТС, становятся чрезмерными и несоразмерными с отдачей от ТС и выполнения ею главной полезной функции, заданной надсистемой Свертывание как ТС, так и всех ее разновидностей, идет в основном по требованию надсистемы по снижению затрат и ресурсов Свертывание идет в основном по полезности и функциональности и за счет стандартизации и унификации элементов - их упрощению, а не совершенствованию, Экономия достигается за счет экономии на масштабе. Ограниченные формы ТС, уже исчерпавшие возможности своего развития начинает отбрасываться надсистемой. В виде устаревания, хронических болезней и недостаток ТС, а также благодаря активному захвату поля действия предыдущей ТС, новая ТС уверенно вступает на ее место. ТС уже больше не согласована с развившимися новыми ТС, выражающими надсистемные требования. |
Ниже мы приводим предлагаемую взаимосвязь диалектических законов и законов развития систем, выявленных в ходе анализ ТС- компрессоров.
Табл.1. Связь действия законов диалектического метода и ЗРТС*
| Этапы разви-тия ТС | Проявление "давления" надсистемы Законы ДМ со стороны надсистемы | ЗРТС, отвечающие надсистемным требованиям развития ТС | ЗРТС, отвечающие внутрисистемным требованиям развития ТС |
| Рож-дение ТС1 Юность ТС1 Развитие и зрелость ТС1 Спад ТС1 Переход к ТС 2 Повторение процесса для Т2 на новом уровне. | Начало с простейшей "непосредственной" формы, являющейся основой для развития Переход от внешних форм к внутренней содержательности и саморазвитию Появление основного противоречия, являющегося основой развития ТС От каузальности к более глубоким связям и взаимозависимости и интеграции элементов системы Количественный рост характеристик, приводящих к противоречию с возможностями формы ТС Противоречие между содержанием развития и ограничивающей формой От внешних надсистемных требований - переход к внутреннему развитию ТС, появление ее собственного самодвижения, развитие, отталкиваясь от собственных противоречий, проявляющихся в развитии ТС Развитие противоположностей между потребностями надсистемы и возможностями данной формы ТС Проявление более общих связей с надсистемными требованиями и надсистемой в целом Качественный скачок при достижении границ развития количественных характеристик Диктат той стороны противоположности, которая в большей степени отвечает надсистемным потребностям Переход к новой форме, в которой проявляются черты старой | Развертывание ТС на основе надсистемных требований ЗР ТС - выделением полезной/мешающей части Свертывание частей ТС, не соответствующих главной функции ТС разрешению ключевого противоречия - однородных и смежных частей ТС - с переносом их функций на оставшиеся - с сохранением / воспроизведением его значимых свойств - с заменой развернутой в пространстве или во времени полисистемой из дешевых аналогов по значимому свойству Переход на микроуровень в ТС2 - дробление РО - использованием / модификацией полей - по форме и объему Согласование\рассогласование частей ТС с надсистемными требованиями - по структуре, функциям, условиям работы - по форме - в пространстве (преобразованием/повышением n-мерности) - действия и времени существования ТС (ПС) - по свойствам повышением однородности частей Динамизация ТС в соответствии с требованиями развития количественных характеристик ТС Повышение внутренних связей в объекте (Пример: повышение самообслуживания) | Полнота ТС Обеспечение минимальной работоспособности ТС Обеспечение минимальной проводимости потоков Развертывание ТС - введением потока, компенсирующего вредный поток - во времени предварительным введением потока, противодействующего вредному потоку - во времени упреждающим введением потока или дополнительной проводимости - во времени и/или в пространстве предварительным введением страховочных проводимостей или элементов. Свертывание ТС - во времени и/или в пространстве сглаживанием проводимости (исключением скачков энергии) и др. Согласование/ рассогласование частей ТС между собой - инверсией потока, знака поля, положения, степени свободы - векторов потоков (устранение скачков потока по направлению и уровню) - за счет динамизации свойств и пр. - по уровню действия/проводимости потока Динамизация - объекта (введением колебаний, изменением цикличности, и др.) - характеристик (местная, относительная, в целом) Повышение эффективности потоков - их управляемости - их догрузкой и увеличением коэффициента загрузки - их функциональностью (использованием вредных потоков) - введением веществ с новыми или альтернативными свойствами Повышение управляемости - модификацией обратной связи |
* прим. использован список законов развития технических систем, предложенный в работе Анализ развития технических систем, А.В. Кислов, 2015.
АЛГОРИТМ ПРИМЕНЕНИЯ ИЕРАРХИИ ЗАКОНОВ
В настоящее время, как отмечено в работе "Анализ эволюции систем" (МУНТТР, курс Технология развития систем, Кислов А.В. 2015), весьма частым явлением при анализе направлений проектов является простой перебор законов ТРТС. которые могли бы быть применены к анализу и прогнозированию развития конкретной системы, что можно также назвать и методом "проб и ошибок" на уровне ТРТС. Чтобы найти наиболее сильные движения ТС, может быть предложен следующий алгоритм на основе выявленных в процессе анализа компрессоров как ТС, развивающейся под давлением надсистемных требований.
Алгоритм дальнего прогнозирования на основе учета надсистемных требований
1 Выделить основные части ТС и ключевое противоречие, соответствующие надсистемным требованиям, положенным в основу существования данной ТС.
2. Определить стороны противоречия, отвечающие за количественную и качественную характеристики.
3. Определить характер поступательного развития содержательной, как правило, динамической стороны ТС и формообразующей стороны ТС, которая при достижении определенного предела должна быть изменена.
4. Выделить ЗРТС, отвечающие за развитие части ТС, отвечающей надсистемным требованиям и отвечающие за совершенствование внутренних характеристик ТС.
5. Диагностировать момент, когда техническая система наталкивается на непреодолимые физические противоречия, которые, как правило, не могут быть преодолены в рамках существующей ступени развития ТС, и являются исходным пунктом для начала развития следующей формы ТС.
6. При рассмотрении основных форм ТС диагностировать момент, когда в технической системе заметно не саморазвитие основных элементов системы, а вспомогательных подсистем, на которые уходит большая часть ресурсов.
7. Среди ТС - лидеров по отношению к анализируемой ТС - рассмотреть те, которые уже решили или имеют наработки по решению задачи, стоящей перед данной ТС. Найденные там решения должны послужить прототипом для решения задачи в развитии анализируемой ТС.
8. Использовать проанализированный материал по п. 4-7 для определения момента исчерпания всех форм ТС в рамках определяющих ее "жизнь" надсистемных требований и завершения ее существования.
9. Сформулировать главную линию и образ будущего направления развития новой ТС, которая должна появиться на месте "умирающей".
ПРИМЕРЫНА ОСНОВЕ СМЕНЫФОРМ КОМПРЕССОРОВ ПОД ДАВЛЕНИЕМ НАДСИСТЕМНЫХ ТРЕБОВАНИЙ
| № | этап | Разработка для ТС компрессор |
| Выделить основные части ТС и ключевое противоречие, соответствующие надсистемным требованиям, положенным в основу существования данной ТС. | Ключевое противоречие ТС компрессора - противоречие между сторонами давления - всасывания и нагнетания | |
| Определить стороны противоречия, отвечающие за количественную и качественную характеристики. | Объемная и динамическая производительность | |
| Определить характер поступательного развития содержательной, как правило, динамической стороны ТС и формообразующей стороны ТС, которая при достижении определенного предела должна быть изменена. | Рост динамической производительности опережает объемную производительность и сопровождается повышением скорости вращения ротора | |
| Выделить ЗРТС, отвечающие за развитие части ТС, отвечающей надсистемным требованиям и отвечающие за совершенствование внутренних характеристик ТС. | Динамизация Переход на микроуровень | |
| Диагностировать момент, когда техническая система наталкивается на непреодолимые физические противоречия, которые, как правило, не могут быть преодолены в рамках существующей ступени развития ТС, и являются исходным пунктом для начала развития следующей формы ТС. | Достижение предельных характеристик прочности материалов при динамическом способе сжатия (центробежные и осевые компрессоры) | |
| При рассмотрении основных форм ТС диагностировать момент, когда в технической системе заметно не саморазвитие основных элементов системы, а вспомогательных подсистем, на которые уходит большая часть ресурсов. | Момент перехода со стандартных электроприводов на паро - и газотурбинные приводы компрессоров | |
| Среди ТС - лидеров по отношению к анализируемой ТС - рассмотреть те, которые уже решили или имеют наработки по решению задачи, стоящей перед данной ТС. Найденные там решения должны послужить прототипом для решения задачи в развитии анализируемой ТС. | Энергетические турбины Решение - переход на МГД генераторы | |
| Использовать проанализированный материал по п. 4-7 для определения момента исчерпания всех форм ТС в рамках определяющих ее "жизнь" надсистемных требований и завершения ее существования. | Исчерпание всех принципов механического сжатия и устойчивое развитие технологии МГД, соответствующее дальнейшему переходу рабочего органа на микроуровень (ионизированный газ) должен привести к дальнейшему качественному скачку. | |
| Сформулировать главную линию и образ будущего направления развития новой ТС, которая должна появиться на месте "умирающей". | Рабочий прогноз: дальнейшая динамизация компрессоров за счет разгона рабочей среды при помощи ионизированных газов. Ключевая технология - МГД |
| № | Фаза | Тип управления | Типичные недостатки, с которыми борются разработчики |
| Появление функции | Выжидание (управление по событию) | Неуправляемость; неустойчивость; неизменяемость; общая нежизнеспособность | |
| Материализация | Переключение (управление по признаку) | Плохая проводимость потоков; необходимость приложения значительного мускульного усилия; нерегулируемость; несогласованность рабочего органа с человеческим телом | |
| Актуализация | Ограничение действия (управление по отклонению) | Невозможность руления; ненаправленность действия; неуправляемость отдельных подсистем | |
| Экспансия | Параметрическое регулирование (управление по значению, прямая связь) | Неэффективность; неэкономичность; большие размеры; плохая геометрия или структура системы; избыточность или недостаточность действия; неточность управления | |
| Преобразование | Слежение за объектом (управление по характеристикам внешнего объекта, обратная связь) | Медлительность; неадаптивность; несогласованность со структурой изделия | |
| Оптимизация | Автоматизация (адаптивная система) | Сложность управления; неточность автоматической регуляции (нежелательный дрейф параметров); несогласованность со свойствами изделия | |
| Скрытие | Упреждение (самообучаемая система) | Неупреждение нежелательных эффектов; неучет изменений внешних факторов; ошибки «дубовой автоматики»; рассогласованность с однотипными элементами в пределах надсистемы | |
| Завершение жизненного цикла | Гарантированный результат (самоорганизующаяся система) | «Артефакты» (ложные срабатывания); неточность алгоритма; несогласованность со смежными системами, участвующими в выполнении надсистемного базового процесса |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Подход с точки зрения анализа развития надсистемных требований по отношению к технической системе, который мы продемонстрировали на примере компрессоров, позволяет лучше увидеть те задачи и требования, которые сейчас и в будущем должна будет выполнять ТС. Этот же подход позволяет отделить ложные или малозначимые тенденции от магистрального пути развития компрессоров.
Создание прогнозов на основе анализа тенденций развития надсистемных потребностей, создающих основные требования к ТС может послужить хорошую службу для разработки перспективных моделей ТС в долгосрочной перспективе. Запас прочности прогноза при этом создается анализом требований различных надсистем, в которые входит анализируемая техническая система.
________________________________________________________
Международная научно-практическая конференция по ТРИЗ.
1-й Съезд Международной Ассоциации ТРИЗ. Тезисы докладов,
Петрозаводск, 1999 г.
ЗАКОНЫРАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
КАК СЛЕДСТВИЯ ЗАКОНОВ ДИАЛЕКТИКИ
© А. Г. Кашкаров, 1999г.,
Санкт-Петербург
Использование Законов Развития Технических Систем (ЗРТС) при анализе, прогнозе развития и
совершенствовании технической системы (ТС) зачастую вызывает затруднения. Это вызвано
неопределенностью движущих сил развития конкретной ТС, неопределенностью границ
действия законов развития и отсутствием их взаимной увязки. Большинство
сформулированных законов по своей сути являются закономерностями, частными
тенденциями, выделенными из предыдущего опыта, или постулатами.
Предпринята попытка систематизации основ Теории Развития ТС (ТРТС) и Теории Решения
Изобретательских Задач (ТРИЗ):
Выделение 5 постулатов – единых представлений о технической системе, подтверждающих
правомерность использования моделей для ее анализа, о ее структуре и принципах
организации.
Переосмысление ЗРТС, сформулированных Г.С. Альтшуллером, и формулирование 3
более общих законов развития ТС, каждый из которых соответствует одному из основных
Законов диалектики.
Вскрытие механизмов действия 3 общих законов и их проявлений в частных тенденциях.
Постулаты:
1 Невозможно создание и функционирование ТС без затрат и потерь веществ и энергий.
2 Изменение параметров любой ТС сопровождается изменением параметров объектов
надсистемы, с которыми она взаимодействует, и наоборот.
3 Любая техническая система может быть физически или условно разделена на части (узлы,
подсистемы, компоненты и элементы вплоть до элементарных частиц).
4 В структуре любой функционирующей технической системы вместе с
взаимодействующими с ней надсистемными объектами всегда можно выделить следующие
узлы:
- рабочий орган (или инструмент, реализующий назначение)
- трансмиссию (преобразователь энергетических параметров)
- двигатель (преобразователь формы энергии)
- источники энергии
- объекты реализации назначения ТС
- источники инициирования действия ТС
- систему управления (анализатор состояния объектов надсистемы, узел принятия решений и
преобразователь инициирующих воздействий)
- информационную систему (преобразователь отображения состояния).
5 Взаимодействующие части ТС целенаправленно организованы в структуру и согласованы
между собой для обеспечения преобразования энергии источников к заданному
воздействию на надсистемный объект назначения, путем преобразования энергии,
движения, силы, материи или информации.
Формулировки Общих Законов Развития: 1. Проявление позитивных качеств ТС, в частности, выполнение полезных преобразований
вещества и энергии, при взаимодействии с надсистемой находятся в состоянии постоянного
противоречия как с негативными проявлениями качеств ТС, так и с затратами на создание и на
приведение ТС в действие.
2. Переложение на ТС назначений надсистемы за счет изменения структуры ТС и свойств
ее компонентов или за счет введения в нее компонентов, реализующих эти назначения,
приводит к формированию нового системного качества ТС, в то время как качественные
изменения частей ТС приводят к изменению уровня реализации ее назначения, изменению
затрат веществ и энергии.
3. Развитие ТС осуществляется посредством замены старых фрагментов ТС более
прогрессивными новыми при развитии положительных черт или при устранении недостатков
ТС.
Каждый закон имеет ряд следствий, демонстрирующих возможные направления развития ТС
(закономерностей и тенденций, известных как ЗРТС Г.С.Альтшуллера), и механизмов их
проявления. Выявленные следствия из законов, правила и особенности их использования
представлены для прямого практического применения как при анализе ТС, так и при прогнозе
ее развития.
В основу модели развития технической системы положены единые представления о причинах и
движущих силах совершенствования. Показана взаимосвязь внутренних и внешних
противоречий ТС. Проведена предварительная классификация возможных внутренних
противоречий ТС.
В результате систематизации знаний на основе предложенного представления ЗРТС
сформирован общий подход к анализу ТС и прогнозу ее развития, выраженный в Технологии
9Совершенствования ТС.