Из чего состоят технические системы. Виды технических систем

Техническим объектом называют созданные человеком реально существующие устройство, способ, материал, предназначенные для удовлетворения определенных потребностей.

Все технические объекты состоят из элементов, представляющих собой неделимые части целого. Если функционирование одного элемента технического объекта влияет на функционирование другого элемента, то такие технические объекты (в отличие от агрегатов) принято называть техническими системами (ТС).

Техническая система – это совокупность взаимосвязанных элементов технического объекта, объединенных для выполнения определенной функции, обладающая при этом свойствами, не сводящимися к сумме свойств отдельных элементов.

Типы технических систем.

Элементы, образующие техническую систему, только относительно неделимые части целого. Например, деревообрабатывающий станок включает много сложных частей: станину, механизмы главного движения, подачи, базирования, регулирования, настройки, управления и приводы. В то же время в системе ″деревообрабатывающий цех″ с большим количеством разнообразных станков отдельный станок можно считать элементом, т. е. неделимым целым. В связи с этим по отношению к системе ″станок″ ″деревообрабатывающий цех″ называют надсистемой , а выше перечисленные части станка – подсистемами. Для любой системы можно выделить подсистему и надсистему. Для системы ″механизм главного движения станка″ части корпус подшипников, вал, режущий инструмент будут подсистемами, а станок – надсистемой. Некоторые системы выполняют по отношению к данной системе противоположные функции. Их называют антисистемами. Например, надводный корабль и подводная лодка, двигатель и тормоз – это объекты, функционирующие наоборот.

Идеал технических систем.

Технические системы развиваются по закону прогрессивной эволюции. Это значит, что в системе каждого поколения улучшаются критерии развития до приближения их к глобальному экстремуму. Каждая техническая система стремится к своему идеалу, когда ее параметры веса, объема, площади и т.п. приближаются к экстремальным. Идеальная техническая система та, которой как бы нет, а функции ее выполняются в полном объеме сами по себе. Закономерность идеальности ценна тем, что она подсказывает, в каком направлении должна развиваться эффективная техническая система. Принято считать систему идеальной, если она имеет одно или несколько из следующих свойств:

1. Размеры системы приближаются или совпадают с размерами обрабатываемого или транспортируемого объекта, а масса системы намного меньше массы объекта. Например, в древности сыпучие материалы хранили и транспортировали в глиняных сосудах, сейчас в мешках.

2. Масса и размеры технической системы или ее главных функциональных элементов должны приближаться к нулю, а в предельном случае равны нулю, когда устройства нет, а необходимая функция выполняется. Например, деление древесины на части выполняется пилой. Но вот появились лазерные установки для этих целей. Режущего инструмента как бы нет, но функции его выполняются.

3. Время обработки объекта стремится или равно нулю (результат получается сразу или мгновенно). Основной путь реализации этого свойства – интенсификация процессов, сокращение числа операций, совмещение их в пространстве и во времени.

4. КПД идеальной системы стремится к единице, а расход энергии – к нулю.

5. Все части идеальной системы выполняют без простоев полезную работу в полной мере своих расчетных возможностей.

6. Система функционирует бесконечно длительное время без простоев и ремонта.

7. Система функционирует без участия человека.

8. Идеальная система не оказывает вредного влияния на человека и окружающую среду

Выделим несколько наиболее характерных для техники структур: 1). Корпускулярная. Состоит из одинаковых элементов, слабосвязанных между собой; исчезновение части элементов почти не отражается на функции системы. Примеры: эскадра кораблей, песчаный фильтр. Рис. 3.1. Корпускулярная структура системы 2). "Кирпичная". Состоит из одинаковых жестко связанных между собой элементов. Примеры: стена, арка, мост. Рис. 3.2. «Кирпичная» структура системы. 3). Цепная. Состоит из однотипных шарнирно связанных элементов. Примеры: гусеница, поезд. Рис. 3.3. Цепная структура системы. 4). Сетевая. Состоит из разнотипных элементов, связанных между собой непосредственно, или транзитом через другие, или через центральный (узловой) элемент (звездная структура). Примеры: телефонная сеть, телевидение, библиотека, система теплоснабжения. Рис. 3.4. Сетевая структура системы. 5). Многосвязная. Включает множество перекрестных связей в сетевой модели. Рис. 3.5. Многосвязная структура системы. 6). Иерархическая. Состоит из разнородных элементов, каждый из которых является составным элементом системы более высокого ранга и имеет связи по "горизонтали" (с элементами одного уровня) и по "вертикали" (с элементами разных уровней). Примеры: станок, автомобиль, винтовка. По типу развития во времени структуры бывают:

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

3.2. Особенности развития технических систем Для развития реальных технических систем характерен многостадийный процесс. Статистические данные изменения тех или иных параметров больших технических систем отражают результаты одновременного воздействия факторов, обусловленных действием объективных законов. Графическое представление параметров технических систем может быть представлено семейством S-образных кривых. (Рис. 3.6.).
Рис. 3.6. Изменение во времени технических характеристик систем. Несмотря на индивидуальные особенности конкретных систем (летательные аппарат, двигатели, приборы), эта зависимость имеет характерные участки. На участке 1 идет медленное развитие системы. Участок 2 соответствует массовому применению. Наступает «зрелость» системы. На участке 3 темп развития системы спадает. Происходит старение системы. Затем развитие идет по следующей кривой. Каждая следующая кривая данного графика соответствует новому поколения технической системы. В книге В.И. Муштаева «Основы инженерного творчества» Приведены аналитические выражения, аппроксимирующие такой параметр самолетов, как его скорость. В недрах каждой предыдущей стадии зарождается последующая, жизнеспособность и эффективность которой всегда выше предыдущей. Особенности развития сложных систем заключаются в том, что каждая подсистема, входящая в систему, также проходит все три этапа развития. Поэтому S – образные кривые для сложных систем являются интегральными, состоящими из совокупности S – образных кривых всех входящих подсистем. При этом самая слабая подсистема, ресурсы которой исчерпаны первыми, обычно тормозит развитие всей системы. Поэтому дальнейшее совершенствование технической системы возможно только после ее замены. Пример в области самолетостроения. В 20-е годы исчерпала себя аэродинамическая концепция. Биплан с неубирающимся шасси и открытия кабина летчика. В 40-х годах скорость самолета ограничивалась неэффективностью воздушного винта при скорости около 700 км/час. Это дало развитие реактивной авиации. Приведенные выше кривые могут служить основой для разработки научно-обоснованной методики изучения процессов развития конкретных технических устройств. 3.3. Законы развития техники и ТРИЗ (теория решения изобретательских задач) Первых законы развития технических систем были выявлены К. Марксом в работе «Нищета философии». Он писал: « Простые орудия, накопление орудий, сложные орудия, приведение в действие сложного орудия одним двигателем – руками человека. Приведение этих инструментов в действие силами природы; машины; система машин, имеющая двигатель, - вот ход развития машин». В результате статистического анализа патентного фонда Г.С. Альтшуллер разработал общую схему развития технических систем. В схеме указаны основные проблемы, трудности, конфликты, встречающиеся на разных уровнях и этапах развития, технические ошибки, допускаемые изобретателями при решении задач, а также правильные закономерные пути дальнейшего развития. Было также определено общее направление развития технических систем в направлении повышения уровня идеальности. Такой системный подход к развитию техники позволил разработать теорию решения изобретательских задач (ТРИЗ).В основе ее лежит постулат: техническая система развивается по объективно существующим законам, эти законы познаваемы. Их можно выявить и использовать для сознательного, целенаправленного решения изобретательских задач. Законы развития технических систем классифицируются на 3 группы: статика, кинематика, динамика. Статические законы определяют жизнеспособность новых технических систем. Основными из них являются следующие законы: 1. наличие и хотя бы минимальная работоспособность ее составных частей; 2. сквозной проход энергии через систему к ее рабочему органу; 3. Согласование собственных частот колебаний (или периодичности) всех частей системы. Кинематика объединяет законы, характеризующие развитие систем независимо от конкретных технических и физических механизмов этого развития. 1. Всякая техническая система стремится к увеличению степени идеальности и степени динамичности: 2. Процесс развития неравномерен и проходит через стадии возникновения и преодоления технических противоречий: 3. Техническая система развивается только до определенного предела, становясь затем частью надсистемы; при этом развитие на уровне системы резко замедляется или совсем прекращается, заменяясь развитием на уровне надсистемы. Динамические законы отражают тенденции развития современных технических систем. 1. Развитие идет в направлении увеличения степени управляемости; 2. Развитие современных технических систем идет в направлении увеличения степени дробления, дисперсности рабочих органов. В особенности, типичен переход от рабочих органов на макро уровне к рабочим органам на микро уровне. Другой подход к законам развития технических систем предложили Меерович и Шрагин в книге «Законы развития и прогнозирования технических систем». Выделено 3 группы развития технических систем. Общие законы, законы синтеза систем и законы развития систем. Общие законы: 1. Развитие любой технической системы идет в направлении повышения уровня ее идеальности; 2. Составные части системы развиваются неравномерно – через возникновения и преодоления технических противоречий; 3. Исчерпав возможности своего развития, техническая система может вырождаться, консервироваться на определенном уровне, или ее рабочий орган становится подсистемой новой системы. Законы синтеза системы: 1. Автономная система должна состоять из четырех минимально работающих частей: рабочего органа, двигателя (источника энергии), трансмиссии и органа управления; 2. Связь через части системы и сами ее части должны обеспечивать свободный проход энергии через всю систему; 3. Управление системой может осуществляться воздействием на любую ее часть. Законы развития отражают условия и причины развития системы и формулируются следующим образом: 1. Согласования ритмики технических систем; 2. Динамизация рабочего органа (на макро- и микро уровнях); 3. Повышение числа управляемых связей; 4. Структурирование; 5. Переход в надсистему; 6. увеличение числа дополнительных функций. Постулаты ТРИЗ

1. Техника развивается по определённым законам.
2. Для решения изобретательских задач необходимо выявить и разрешить противоречия.
3. Изобретательские проблемы можно классифицировать и решить соответствующим методом.

Г. С. Альтшуллер пришел к выводу, что фундаментом будущей теории изобретательства должны быть законы развития технических систем. Альтшуллером была разработана система законов развития техники. Изобретательское и рутинное мышление Отличие изобретательского и рутинного (традиционного) мышления. При рутинном мышлении мы ищем компромисс . В изобретательском мышлении мы выявляем противоречие , лежащее в глубине проблемы. Углубляя и обостряя противоречие, мы определяем первопричины, породившие данное противоречие. Разрешая противоречие, получаем результат без недостатков. Структура и функции ТРИЗ Основные функции ТРИЗ

1. Решение творческих и изобретательских задач любой сложности и направленности без перебора вариантов.
2. Прогнозирование развития технических систем (ТС) и получение перспективных решений (в том числе и принципиально новых).
3. Развитие качеств творческой личности.

Вспомогательные функции ТРИЗ

1. Решение научных и исследовательских задач.
2. Выявление проблем, трудностей и задач при работе с техническими системами и при их развитии.
3. Выявление причин брака и аварийных ситуаций.
4. Максимально эффективное использование ресурсов природы и техники для решения многих проблем.
5. Объективная оценка решений.
6. Систематизирование знаний любых областей деятельности, позволяющее значительно эффективнее использовать эти знания и на принципиально новой основе развивать конкретные науки.
7. Развитие творческого воображения и мышления.
8. Развитие творческих коллективов.

Область применения технических систем очень широка и включает в себя все отрасли экономики. В табл. 3.1 приведены примеры технических систем, используемых в важнейших отраслях экономики.

Классификация технических систем по различным определяющим признакам вносит достаточно стройный порядок в их обширное множество и позволяет лучше ориентироваться. Как следствие этого появляется возможность изучения передового опыта, что позволяет подчас обнаружить между довольно далекими техническими системами интересные, доселе скрытые отношения.

Технические системы могут быть классифицированы по следующим признакам:

по функции (рабочему действию) , например, технические системы для фиксации, придания формы, вращения, подъема;

Таблица 3.1

Примеры технических систем в различных отраслях экономики

Отрасль экономики	Техническая система
назначение	машина
Горное дело	Добыча Транспортировка Обогащение	Врубовая машина Транспортер Сортировальная машина
Энергетика	Выработка пара Выработка электричества	Паровой котел, барабан Паровая турбина, гидротурбина, генератор
Металлургия	Производство чугуна Производство стали Производство проката	Доменная печь Мартеновская печь Прокатный стан
Химическая промышленность	Очистка и переработка нефти Производство красителей Производство пластмасс	Резервуар Реактор Колонна
Фармацевтическая промышленность	Производство медикаментов	Пресс, каландр
Металлообрабатывающая промышленность	Обработка давлением Обработка резанием Термообработка Литье Сборка	Пресс, молот Станок Печь Формовочная машина Конвейер
Строительная промышленность	Строительство оснований и фундаментов Строительство надземных сооружений Земляные работы Гидротехническое строительство Производство стройматериалов	Экскаватор Подъемный кран Скрепер Бетономешалка Формовочный пресс
Транспорт	Железнодорожное сообщение Судоходство Воздушное сообщение	Локомотив, вагон Пароход Самолет
Текстильная промышленность	Производство текстиля Изготовление готового платья	Прядильная машина, ткацкий станок Швейная машина
Пищевая промышленность	Производство муки Производство пищевых жиров Переработка молока	Мукомольная мельница Пресс Центрифуга
Медицина	Диагностика Терапия	Рентгеновский аппарат Протез
Типографское и конторское дело	Печатание Конторские нужды	Печатная машина Пишущая машинка, счетная машина
Сельское и лесное хозяйство	Обработка земли Уборка урожая Заготовка древесины	Трактор с плугом Комбайн Электропила
Распределение, торговля	Самообслуживание Упаковка	Контрольная машина Упаковочная машина

по типу преобразования , например, технические системы для преобразования материи, энергии, информации, биологических объектов;

по принципу осуществления рабочего действия , например, технические системы, основанные на механическом, гидравлическом, пневматическом, электронном, химическом, оптическом, акустическом принципе;

по характеру функционирования , например, мощностные, скоростные, импульсные технические системы, системы для различных условий окружающей среды (например, для тропического климата) и т. п.;

по уровню сложности , например, конструктивные элементы, узлы, машины, предприятия в целом;

по способу изготовления , например, технические системы, изготовленные путем литья, ковки, штамповки, обточки;

по степени конструктивной сложности ;

по форме , например технические системы (конструктивные элементы) в виде тела вращения, плоские, сложной формы;

по материалу , например, технические системы из стали, меди, пластмассы;

по степени оригинальности конструкции , например, заимствованные, доработанные, модифицированные, оригинальные технические системы;

по типу производства , например, технические системы, изготовленные в условиях единичного, серийного или массового производства;

по названию фирмы-изготовителя , например, технические системы "Сименс", "Фиат", "ВАЗ", "BOSCH";

по месту в техническом процессе , по эксплуатационным свойствам, внешнему виду, технико-экономическим характеристикам и т. п.

Ясно, что одна и та же техническая система может принадлежать одновременно к нескольким классам. Ниже более подробно будут рассмотрены те принципы классификации технических систем, которые, с точки зрения проектировщика и конструктора, являются особо важными.

Классификация технических систем по функции. Названия технических систем часто выбираются в соответствии с их функцией. Составление номенклатур изделий применительно к требованиям сбыта, планирования, контроля, сравнительной оценки и т. п. также осуществляется, как правило, в соответствии с функцией технических систем. Изделия обозначаются по функции также в тех случаях, когда требуется помочь потенциальному потребителю найти то или иное техническое средство для выполнения определенной функции: этому служат торговые и промышленные каталоги, обзорные таблицы и т.п.

На любом предприятии используется множество элементов и узлов, выполняющих в различных отраслях техники одну определенную функцию, таких, как крепежные детали, редукторы, соединительные муфты, измерительные, регулирующие и сигнальные приборы, гидравлические и пневматические приборы и их части, специализированные электротехнические устройства и т.п. Узлы и детали машин также можно рассматривать как технические системы, поэтому их классификацию целесообразно проводить тоже по функции, так как конструктор, производственник и эксплуатационник применяют различные детали в соответствии с их функциональной пригодностью. Такая классификация называется конструктивно-функциональной , наряду с классификацией по способу изготовления она является основной при заимствовании существующих технических систем, унификации, типизации и стандартизации элементов и групп . Классификация по этим принципам позволяет экономить рабочее время конструктора.

Классификация технических систем по принципу действия. Для конструктора важно, чтобы технические системы, выполняющие одинаковые функции, были далее сгруппированы по еще какому-либо важному признаку. Таким признаком можно считать принцип действия технической системы . Так, например, технические системы "двигатели" можно подразделить по принципу действия: двигатели электрические, внутреннего сгорания, внешнего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания в свою очередь можно подразделить по используемому физическому принципу смесеобразования на карбюраторные и дизельные. Такого рода признаки технических систем относятся преимущественно к группе функционально обусловленных свойств, весьма характерных для технических систем и имеющих большое значение для методической работы конструктора.

Классификация технических систем по уровню сложности. Деление технических систем на классы по их структуре - обычное дело в работе конструктора. Основным признаком, по которому образуются классы, должна служить функция системы. Однако, учитывая потребности производства, например, по соображениям монтажа, порой возникает необходимость в проведении иной классификации. Табл. 3.2 дает общее представление о классификации технических систем по уровню сложности.

Таблица 3.2

Классификация технических систем по уровню сложности

Уровень сложности	Техническая система	Характеристика	Примеры
I	Конструктивный элемент Деталь машины	Элементарная система, изготовленная без монтажных операций	Болт, подшипниковая втулка, пружина, шайба
II	Подгруппа Группа Узел Механизм	Простая система, выполняющая несложную функцию	Коробка передач, гидравлический привод, шпиндельная бабка токарного станка
III	Машина Прибор Аппарат	Система, состоящая из групп и элементов и выполняющая определенную функцию	Токарный станок, автомобиль, электромотор
IV	Установка Предприятие Промышленный комплекс	Сложная система, состоящая из машин, групп и элементов, выполняющая ряд функций и характеризующая упорядоченные совокупности функций и места	Технологическая линия, цех термической обработки, нефтехимический комплекс

На более высоких уровнях сложности можно различать еще и промежуточные уровни. Тем не менее, следует помнить, что речь идет об относительной иерархии. Одна и та же система более низкого уровня, например электромотор или коробка передач, в одной системе рассматривается как подгруппа, а в другой системе – как группа или машина (подсистема).

На практике общепризнанно, что нижние уровни технических систем находят более универсальное применение, например, такие элементы как "винт", "болт", "гайка" применяются в машиностроении повсеместно, "электромотор" довольно часто, а "технологическая линия" используется лишь в определенных, специальных процессах.

Классификация технических систем по уровню сложности имеет немаловажное значение для конструктора, поскольку уровень сложности технической системы

а) находится в определенном соотношении со степенью сложности решения поставленной перед конструктором задачи;

б) предполагает установление известных границ для специализации конструктора (например, инженер-проектировщик имеет дело с предприятием, инженер-конструктор - с машиной, конструктор деталей - с элементами машины);

в) помогает конструктору ориентироваться в процессе работы, ибо, если он решает задачу на каком-то определенном уровне сложности, ему важно знать лишь то, как его задача согласована с более высоким уровнем (в отношении более низкого уровня конструктор принимает чаще всего только принципиальные решения).

На основании сборочного чертежа отдельные уровни сложности можно рассматривать так же, как совокупности процессов изготовления и монтажа. Образование соответствующих совокупностей, прежде всего из деталей, подгрупп и групп, является необходимым условием создания модульных конструкций, а также целесообразной организации производственного процесса.

Классификация технических систем по способу изготовления. Для изготовления определенных групп технических систем требуется однотипное технологическое оборудование. Например, на одном и том же оборудовании можно изготовить паровые котлы и химические емкости, на другом - токарные, фрезерные, сверлильные и другие станки. Детали машин можно также свести в технологические группы по принципу сходства технологических операций изготовления, где главным отличительным признаком будет служить форма. Такая классификация позволяет рационально провести технологическую подготовку производства и повысить эффективность производственного процесса, поскольку дает возможность объединить рабочие места для изготовления одинаковых по способу изготовления деталей. Это в свою очередь облегчает осуществление самых различных мер рационализации, например специализацию рабочих цехов, предприятий. Значение такой классификации особенно велико при разработке и осуществлении планов подготовки производства, методов управления и планирования. Она является составной частью, так называемой, групповой технологии обработки.

Классификация технических систем по степени конструктивной сложности. Технические системы можно также классифицировать с точки зрения конструктивной сложности. В качестве примера в табл. 3.3 технические системы третьего уровня сложности (см. табл. 3.2) разделены на 6 категорий по степени их конструктивной сложности. В зависимости от уровня сложности рассматриваемой технической системы для решения связанных с ней проблем выбирается соответствующий специалист или группа специалистов. При планировании конструкторской работы степень конструктивной сложности разрабатываемой технической системы служит критерием для установки определенных временных рамок инженерной работы.

Таблица 3.3

Примеры классификации технических систем III уровня сложности по

степени конструктивной сложности

Детали машин также можно классифицировать в зависимости от степени сложности их конструкции. Соответствующий пример классификации по другому принципу дан в табл. 3.4. Критериями опенки степени конструктивной сложности служат:

а) степень оригинальности конструкции;

б) сложность выполняемых функций, форм, структуры в целом;

в) сложность расчетов;

г) размеры, необходимые точность их выполнения и качество обработки;

д) особые требования, предъявляемые к таким характеристикам, как масса, технологичность конструкции, затраты, требования к внешнему виду и т. п.

Таблица 3.4

Примеры классификации деталей машин по степени конструктивной сложности

Степень конструктивной сложности	Характеристика	Примеры
	Очень простые детали с небольшим количеством контрольных размеров невысокой точности	Опорная шайба, простой рычаг, небольшой вал, болт, крепежная скоба
	Простые детали с большим количеством контрольных размеров	Рычаг, шкив, простое штампованное изделие
	Более сложные детали	Шестерня, шлицевой вал
	Более сложные детали с большим количеством контрольных размеров	Довольно сложные отливки, небольшие поковки
	Очень сложные детали	Сложные отливки кожухов и поковки средних размеров
	Очень сложные и большие детали	Каркасы, кожухи машин, сварные или литые станины
	Особо сложные детали больших размеров и необычной формы с точным выдерживанием большого количества контрольных размеров	Лопасти турбины, большие поковки, прецизионные отливки сложной формы

Классификация элементов технических систем по степени стандартизации и происхождению. Такая классификация очень важна для оценки экономичности конструкции. По степени стандартизации технической системы можно судить о целесообразности и возможных масштабах ее производства в рамках данного предприятия. С экономической точки зрения количество оригинальных конструктивных элементов в технической системе должно быть как можно меньшим, поскольку они характеризуют требования, предъявляемые к конструкторской и технологической подготовке производства. Существует правило, которое гласит, что чем меньше количество оригинальных конструктивных элементов в создаваемой системе, тем выше вероятность для организации ее серийного или даже массового производства . Часто, впрочем, в силу каких-либо иных причин эти соображения не являются решающими.

Классификация технических систем по степени оригинальности конструкции. При разработке новой машины конструктор всегда старается использовать в конструкции, оправдавшие себя на практике узлы и детали. По степени оригинальности конструкции технические системы можно разделить на следующие категории.

Заимствованные технические системы . Для выполнения необходимой функции уже существуют какая-либо техническая система или даже несколько систем, из которых могут быть выбраны наиболее подходящие. К ним относятся в первую очередь унифицированные элементы и группы (болты, клинья, вентили, пружины), а также неунифицированные элементы и группы, которые могут быть заимствованы из других конструкций.

Доработанные технические системы . В наличии имеется какая-либо техническая система, выполняющая необходимую функцию, но не отвечающая некоторым требованиям. Возникает потребность, например, изменить габариты, мощность, число оборотов, скорость, установочные размеры, материал или технологию. Структуры системы и важнейшие свойства элементов в этом случае остаются без изменения. Таким образом, доработка технической системы проводится исключительно в целях приспособления ее к особым условиям и требованиям новой задачи, а новые материалы используются только в целях повышения качества, удешевления или модернизации.

Модифицированные технические системы . Существующие системы не отвечают требованиям, предъявляемым к некоторым свойствам групп и элементов конструкции. В модифицированной конструкции обычно не изменяются лишь функция, некоторые параметры и по возможности принцип действия. В элементах могут быть изменены форма, размеры, материал или технология, в сложных технических системах изменяются органоструктура и конструктивная схема, т.е. некоторые элементы и группы, их соединение и размещение в пространстве. Обычно модификация осуществляется путем переделки конструкции.

Новые технические системы . Для выполнения желаемой функции отсутствует техническая система или же существующая имеет недостатки принципиального характера. Необходима система с новым принципом действия и другими техническими свойствами.

Классификация технических систем по типу производства. Тип производства, который определяется количеством изготавливаемых единиц продукции, придает каждому изделию ряд характерных технических и экономических свойств.

Технические системы единичного производства . В этом случае конструкторские и подготовительные работы необходимо приспособить к нуждам поштучного производства, в условиях которого стоимость каждой изготовленной технической системы увеличивается. Не исключено, что в условиях единичного производства необходимая функция технической системы вообще не будет достигнута, поскольку при изготовлении крупных технических систем приходится работать без прототипа. Вот почему эта категория систем предъявляет высокие требования к конструктору.

Технические системы серийного или массового производства . Эти системы в целом лучше проработаны с точки зрения производства. Из-за большого объема партий изделий доля конструкторских затрат по отношению к общим расходам невелика. Однако поскольку контролю подвергается, как правило, лишь небольшая часть изделий, то не исключены различные погрешности и дефекты. Только при осуществлении непрерывного контроля за всеми операциями или выпускаемыми деталями и изделиями в целом можно добиться стабильного качества при серийном и массовом производствах. Специалисту упомянутые категории систем интересны и в том плане, что они формируют основу для определения возможного качества изделий. Прослеживается четкая тенденция ко все большему использованию унифицированных, серийно выпускаемых технических систем, особенно для выполнения различных функций низких уровней, например элементов соединения, измерения, регулирования, привода, распределения. С другой стороны, возрастает количество технических систем специального назначения. Современное производство не может обойтись без целого ряда вспомогательных средств, специализированных машин, автоматов и поточных линий, специального оборудования, т. е. без всего того, что обеспечивает выпуск дешевой унифицированной продукции в массовом количестве. Обе категории изделий предъявляют высокие требования к объему и качеству конструкторской работы.

Классификацию технических систем можно проводить с различных точек зрения; при этом из всего множества технических систем образуются подмножества, связанные общими отличительными признаками. Полученные категории могут служить различным целям, например систематизации, наглядности, оценке, анализу и т. п.

Вопросы лекции 1.Понятие технической системы и ее функций. 2.Системный подход. 3.Организация информации в линии развития. Пример анализа реальной системы. 4.Модель функционирующей системы. 5.Функционирующая система в контексте патентного законодательства. 6.Основные элементы функционирующей системы. 7.Действия при пошаговом развитии системы. 8.Трехэтапный алгоритм преобразования системы по Г. С. Альтшуллеру.

Техническая система это совокупность взаимосвязанных материальных частей (элементов), предназначенная для повышения эффективности деятельности человека (общества) и обладающая хотя бы одним свойством, которым не обладает ни одна из составляющих его частей.

Дополнительная функция – это функция, выполнение которой придает новое потребительское качество объекту. Латентная функция – это скрытая функция, выполнение которой не присуще ТС по предназначению. Основная функция – это функция отдельных частей ТС, непосредственно помогающая осуществлять главную функцию. Вспомогательная функция – это функция отдельных частей ТС, предназначенная для обслуживания других подсистем ТС.

Одно из главных требований к оптимальной информационной структуре – требование объективности! Идея Г. С. Альтшуллера состоит в том, чтобы в дополнение к законам развития ТС строить объективные линии развития ТС. Линии развития применяются как инструмент, позволяющий рассмотреть полученное техническое решение в динамике.

Законы развития ТС – в общем виде описывают связи между явлениями, их трудно использовать в качестве инструментов решения задач из-за их обобщенности. Тенденции развития ТС – показывают генеральные направления развития элементов системы в соответствии с объективными законами развития ТС. Линия развития ТС – это конкретизация какой- то тенденции, закономерность развития данного объекта или процесса; это подробный «маршрут» с указанием характерных вариантов преобразований технической системы или ее элемента.

Г. С. Альтшуллер о ТС: Технических объектов много, и они очень разнородны. Но есть нечто общее, присущее всем техническим объектам: все они являются системами. При системном подходе технические объекты рассматриваются как целостные организмы, подчиняющиеся общим законам развития. Карманный фонарик, двигатель, тепловоз, химический завод, речной транспорт – все это примеры ТС. Внешне они нисколько не похожи друг на друга. Их объединяет то, что они системы, т.е. нечто большее, чем арифметическая сумма составных частей.

Важно, чтобы концепция функционирующей системы была согласована с моделями, используемыми в патентном законодательстве!!! Состав функционирующей системы хорошо согласуется с перечнем предметов патентирования, предусмотренных в патентном законодательстве.

Устройство – это система расположенных в пространстве элементов, определенным образом взаимодействующих между собой. Устройство относится к информационному и объектному уровням ФС. Способ – это описание процессов взаимодействия частей ТС. Вещество – это ресурсы, необходимые для работы объектного уровня ФС, а также продукты переработки.

Элементы ФС Совокупности материальных объектов Описание процесса их взаимодействия Вещества, поля и системы, необходимые для работы объектной части системы и оператора Вещества, поля и системы как продукты переработки Алгоритмы и программы для автоматических систем управления Учебные курсы и программы

В ТС каждый переход от одного ее варианта к другому осуществляется только за счет внешнего вмешательства субъекта (человека). Основной постулат философии техники – все ТС развиваются в соответствии с объективными законами. Законы развития ТС отражают существенные, устойчивые и повторяющиеся взаимодействия между элементами ТС, между самими ТС и окружающей средой.

Законы развития ТС 1.Закон полноты частей системы. 2.Закон энергетической проводимости системы. 3.Закон согласования ритмики частей системы 4.Закон увеличения идеальности ТС 5.Закон неравномерности развития частей системы. 6.Закон перехода в надсистему. 7.Закон перехода на микроуровень. 8.Закон увеличения степени вепольности. 9.Закон повышения динамичности, управляемости и вытеснения человека.

Появление нового варианта ФС происходит вследствие поэтапного выполнения следующих условий: 1.Обеспечение «соответствия состава системы выполняемой ею функции» 2.Установление связей между элементами системы 3.Согласование параметров и режимов действия подсистем данной системы

Порядок действий при создании нового варианта ТС 1.Ввести элементы и связи в состав системы. 2.Удалить элементы и связи из состава системы. 3.Заменить одни элементы и связи объектов на другие. 4.Разделить элементы системы на части. 5.Изменить форму и размеры элементов системы.

Порядок действий при создании нового варианта ТС 6.Изменить внутреннюю структуру элементов системы. 7.Изменить состояние поверхности элементов системы. 8.Обеспечить подвижность связей между элементами системы и возможность изменения других ее параметров. 9.Обеспечить и упростить оперативное управление. 10.Проверить и улучшить согласование работы элементов системы.

3.1. Общее определение ТС

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

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

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

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

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

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

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

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

3.2. Функциональность

3.2.1. Цель - функция

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

3.2.2. Потребность - функция

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

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

3.2.3. Носитель функции

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

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

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

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

3.2.4. Определение функции

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

3.2.5. Иерархия функций

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

Пример: иерархия функций кирпича.

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

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

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

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

Пример . Определить ГПФ калорифера.

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

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

Можно спуститься вниз по иерархии:

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

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

3.3. Структура

3.3.1. Определение структуры

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

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

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

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

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

3.3.2. Элемент структуры

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

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

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

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

3.3.3. Типы структур

Выделим несколько наиболее характерных для техники структур:

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

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

По типу развития во времени структуры бывают:

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

3.3.4. Принципы построения структуры

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

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

Формирование структуры - основа синтеза системы.

Некоторые принципы формирования структуры:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Например:

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

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

Наиболее радикальный путь - идеализация ТС.

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

3.3.5. Форма

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

Основные требования к форме:

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

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

3.3.6. Иерархическая структура систем

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

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

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

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

Таблица 1

Уровень (ранг ТС)	Название системы	Пример	Аналог в природе
	Техносфера	Техника + люди + ресурсы + система потребления	Биосфера
		Вся техника (все отрасли)
	Отрасль техники	Транспорт (все виды)
	Объединение	Аэрофлот, автотранспорт, ж\д транспорт
	Предприятие	Завод, метро, аэропорт	Организм
		Локомотив, вагоны, рельсовый путь	Органы тела: сердце, легкие и т.д.
		Локомотив, автомобиль, самолет
	Неоднородный механизм (совокупность узлов, позволяющая осуществлять перевод энергии и вещества из одного вида в другой)	Электростатический генератор, двигатель внутреннего сгорания	Молекулы ДНК, РНК, АФТ
	Однородный механизм (совокупность узлов, позволяющая энергию и вещества не меняя их вида)	Винтовой домкрат, тележка, парусное оснащение, часы, трансформатор, бинокль	Молекула гемоглобина способная транспортировать кислород
		Ось и два колеса (появляется новое свойство - способность качения)	Сложные молекулы, полимеры
	Пара деталей	Винт и гайка, ось и колесо	Молекула, образованная разными радикалами, например: С 2 Н 5 -С=О | О-Н
	Неоднородная деталь (при разделении образует неодинаковые части)	Винт, гвоздь	Несимметричная углеродная цепь: С-С-С-С-С-С- | С
	Однородная деталь (при разделении образует одинаковые части)	Проволока, ось, балка	Углеродная цепь: С-С-С-С-С-С-
	Неоднородное вещество		Смеси, растворы (морская вода, воздух)
	Однородное вещество	Химически чистое железо	Простое вещество (кислород, азот)

Основные свойства иерархических систем

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

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

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

3.4. Организация

3.4.1. Общее понятие

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

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

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

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

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

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

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

3.4.2. Связи

Связь - это отношение между элементами системы.

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

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

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

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

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

Связи в системе могут быть:

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

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

Основные виды связей в технических системах:

	1. Элементарные
	а) односторонняя (полупроводниковая),
	б) рефлексивная (возникающая под действием внешней причины),
	в) селективная (отсеивающая ненужные потоки),
	г) запаздывающая (с задержкой по времени),
	д) положительная (увеличивающая мощность при увеличении "разности потенциалов"),
	е) отрицательная (уменьшающая мощность при увеличении "разности потенциалов"),
	ж) нейтральная (безразличная к направлению),
	з) нулевая ,
	и) проектируемая (желаемая).
	2. Комбинированные.
	л) двусторонняя (полностью проводящая) ,
	м) контрсвязь (пропорционально зависимая от состояния элементов, между которыми осуществляется связь; например, полюса магнита или потенциалы источника тока),
	н) положительная обратная связь. (при увеличении мощности одной связи увеличивается мощность другой), механизм взаимной стимуляции функций, ведет к нарастанию процессов;
	о) отрицательная обратная связь. (при увеличении мощности одной связи уменьшается мощность другой), стабилизирующий механизм, ведет к устойчивому равновесию или к колебаниям вокруг точки равновесия,
	п) двойная отрицательная обратная связь, или обратная связь типа взаимного угнетения (при уменьшении мощности одной связи уменьшается также мощность другой), ведет к неустойчивому равновесию, кончающемуся усилением одной из сторон и подавлением другой.

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

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

В системе из трех элементов появляется еще более сильное качество.

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

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

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

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

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

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

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

3.4.3. Управление

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

3.4.4. Факторы разрушающие организацию.

К таким факторам относятся три группы вредных воздействий:

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

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

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

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

3.4.5. Значение эксперимента в процессе улучшения организации

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

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

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

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

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

3.5. Системный эффект (качество)

3.5.1. Свойства в системе

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

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

Правильнее различать два вида системных прибавок:

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

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

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

Пример появления системного эффекта.

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

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

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

3.5.2. Механизм образования системных свойств

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

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

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

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

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

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