Закономерности развития принципов действия технических систем

TRIZ DEVELOPERS SUMMIT, 20 ИЮЛЯ 2011

Борис Злотин и Алла Зусман, Детройт, США

Введение

В середине семидесятых Генрих Альтшуллер, создатель теории решения изобретательских задач (ТРИЗ), предложил новый подход к изобретательству, основанный на использовании Законов Развития Технических Систем[1]. Одним из наиболее важных элементов этого подхода стал анализ развития системы по ее S-кривой (рождение, детство, быстрый рост, стабилизация или загиб) и определение будущего развития в зависимости от ее существующего положения. В последующие четыре десятилетия этот подход и информационные фонды для его поддержки были существенно расширены, включая выявление дополнительных законов и многочисленных Линий развития[2]

В то же время, многие вопросы, связанные с анализом S-кривых все еще требуют решения, например, сколько S-кривых может иметь система на протяжении ее жизненного цикла[3], являются разные кривые параллельными или последовательными, каковы отношения между главной S-кривой и кривыми для ее подсистем и т.д.  На многие из этих вопросов ответы могут быть получены за счет введения более точных определений, в частности, уточнения определения принципа действия технических систем.  

Определения и предпосылки

Система, имя системы, главная функция и принцип действия

Мы определяем систему как продукт, процесс, технологию, и т.п., предназначенную для выполнения определенной главной функции для удовлетворения определенной потребности (цели). Имя системы может бытьдостаточно общим, охватывающим множество вариаций (летательный аппарат), или более специальным (вертолет).  В соответствии с этим, главная функция тоже может быть более или менее общей или узкой.  Главная функция системы реализуется с помощью определенного принципа действия.  Как правило, функция может быть реализована более чем одним путем; в этом случае для каждого принципа действия может существовать своя система (самолет, вертолет и дельтаплан работают на разных принципах, в то время как их главная функция – летать – одна и та же).

Жизненный цикл, генерации и эволюционные ресурсы системы

Как было указано выше, типичный жизненный цикл системы может быть представлен в виде ее S-кривой. Мы предполагаем, что создание новой системы (начало S-кривой) открывает новые эволюционные ресурсы, которые позволяют развивать эту систему за счет их постепенного включения в использование.  Когда эволюционные ресурсы исходной концепции полностью использованы, развитие системы в данной концепции прекращается.  

Мы также предполагаем, что мы имеем дело с одним жизненным циклом развития системы при условии, что ее главная функция сохраняется, в особенности, если она отражена в названии системы (например, рефлекторный или зеркальный телескоп).  Как было указано выше, жизненный цикл системы может быть расширен, если мы выберем более общее название (например, жизненный цикл летательных аппаратов существенно богаче событиями (и генерациями), чем самолет.

Под генерациейсистемы мы понимаем участок жизненного цикла, который может быть описан своей S-кривой в пределах одной парадигмы и базируется на одном и том же принципе действия. Очевидно, что жизненный цикл одной системы может включать несколько генераций.

Главные шаги эволюции системы и ее принципа действия

Шаг 1 – Поиск принципа действия проектируемой системы

Новая многообещающая система возникает, когда появляются два условия: рыночный спрос и технология, которая может обеспечить ее производство. Обычно, эти условия появляются неодновременно (в одних случаях спрос в наличии, но нет технологии, но может быть и наоборот); в то же время, одно условие может стимулировать появление другого.  Из истории техники хорошо видно, что если имеется некоторый потенциальный спрос (на полеты, на коммуникации и т.п.), то как только появляются технологии, способные в принципе реализовать эту потребность, начинается поиск конкретных принципов действия, которые могут быть положены в основу выполнения главной функции новой системы.  Например, какой тип двигателя использовать в летательном аппарате – паровой, внутреннего сгорания или, возможно, реактивный[4]?   Период поиска и выбора может быть довольно долгим, особенно когда речь идет о реализации такой давней мечты как полет. 

Принцип действия технической системы является основным элементом следующей цепочки: принцип действия - функция системы - характеристики системы - полезность системы. Во многих случаях, принцип действия тоже может быть описан в виде цепочки, включающей ряд эффектов – физических, химических и т.п. преобразований.   Например, работа двигателя внутреннего сгорания включает непосредственно сгорание топлива (химический эффект), расширение газа, возвратно-поступательное движение поршня, преобразование возвратно-поступательного движения во вращение коленчатого вала (все механические эффекты). Эта цепочка достаточно сложна, для лучшего понимания процесса можно рекомендовать представить ее в графическом виде, например, используя компьютерный модуль Problem Formulator® (Фиг.  1).

Фиг.  1. Цепочка эффектов, описывающая принцип действия двигателя внутреннего сгорания[5]

Полное описание процессов в цепочке очень важно, потому что каждый дополнительный  элемент представляет преобразование энергии со своими потерями (некоторые из них показаны на Фиг.  2).

 

Фиг.  2. Цепочка эффектов с энергетическими потерями

В ситуации выбора подходящего принципа действия для новой системы сравнение возможных потерь энергии для разных вариантов и, соответственно, их  эффективности, может иметь критическое значение для окончательного решения.  

Для работоспособных принципов действия создаются прототипы для испытаний, что знаменует собой рождение новой системы. Часто на этой стадии новая система создается по принципу «монстра»[6], когда система собирается из имеющихся "элементов" или "модулей", выбранных для реализации каждого звена ранее описанной цепочки эффектов (или функций).

Фиг.  3. Различные системы, основанные на разных принципах действия, конкурируют на старте

Работоспособность прототипов на этом этапе оставляет желать лучшего, особенно если законы полноты и свободного прохождения энергии в системе не соблюдены[7]. На этом этапе все более или менее работоспособные принципы подвергаются проверке на соответствие общему уровню техники (возможность реализации, промышленного производства).

 

Шаг 2 – Отбор на соответствие уровню техники

В результате отбора одни принципы действия оказываются приемлемыми, в то время как другие отвергаются.

Фиг.  4. Отбор на соответчике уровню техники

Один их отобранных принципов обычно оказывается предпочтительным.  Например, хотя дальнейшее развитие показало, что у реактивных двигателей было много преимуществ, общий уровень техники не мог обеспечить их широкое внедрение в начале 20-го века. В результате, победителем на этом шаге оказался двигатель внутреннего сгорания. 

Фиг.  5. Система, использующая принцип действия 1, выигрывает

В других случаях несколько принципов могут оказаться приемлемыми; на базе каждого создается своя система; эти системы теперь начинают конкурировать.

Шаг 3 – Конкуренция

Обычно, в результате конкуренции на рынке остается несколько «взрослых» систем[8], одна из которых занимает доминантное положение (#1 на Фиг.  6); по крайней мере одна система – главный конкурент («взрослая» система #2) и одна (или больше) «молодая» система (#3). Причина, по которой количество «игроков» обычно невелико, проста: ограниченность финансовых и человеческих ресурсов в обществе. Как только одна или (редко) несколько систем доказали свою высокую полезность, эти ресурсы уходят к ним, оставляя очень мало менее удачливым.  Причины, по которым какие-то «молодые» системы все-таки выживают, в каждом случае вполне уникальны, но имеют одну общую природу: огромная личная заинтересованность и вера в успех отдельных энтузиастов, случайная финансовая поддержка, просто удача, и т.п.[9] В отдельных случаях молодая система как-то «проскользнула» через строгий отбор, в других это может быть одна из «отвергнутых» или появившаяся позднее в результате нового изобретения (Фиг.  4).

Фиг.  6. Конкуренция

 

Шаг 4 – Гибридизация

Как только «главные игроки» определились и продемонстрировали свои преимущества и недостатки, наступает время создания различных комбинаций -  гибридизации. Подобно биологической гибридизации, этот процесс состоит в создании жизнеспособных гибридов, объединяющих наиболее полезные черты систем - «родителей»[10]. На сегодня выявлен ряд наиболее эффективных способов гибридизации[11]; однако, с эволюционной точки зрения, наиболее интересными является создание «Буксирующих» и «Альтернативных» бисистем (Фиг. 7).

Фиг.  7. Гибридизация

«Буксирующая» бисистема

Создание «буксирующих» бисистем является довольно обычным эволюционным шагом, представляющим собой чрезвычайно эффективный способ гибридизации следующих исходных систем:

  • «Взрослой» технологии, которая не может развиваться дальше из-за исчерпания собственных эволюционных ресурсов основной концепции.
  • Новой (часто революционной)технологии(«молодая» система), обладающей  высоким эволюционным потенциалом, но пока недостаточно эффективной (или надежной, слабо разработанной и т.п.), чтобы вытеснить старую доминирующую технологию.  

 

В таких ситуациях взрослая (или старая) система «вытягивает» новую, при этом обеспечиваются следующие преимущества:

  • Продление жизни старой системы за счет добавления новых полезных функций или характеристик.
  • Отрасль получает больше времени на адаптацию новой парадигмы.
  • Молодая система начинает практически применяться, несмотря на свои недостатки, потому что взрослая система «подстраховывает» ее.

 

Теперь  у молодой системы появляется финансирование, свои "болельщики" – и ее развитие резко ускоряется.

 

Например, первые паровые судовые двигатели были настолько не эффективны, что не могли обеспечить сколько-нибудь длительное плавание. В то же время, парусные суда с паровой машиной получили возможность использовать ее в отсутствие ветра[12] и для захода в порты против течения. Аналогично, первые реактивные двигатели использовались на поршневых самолетах в качестве бустеров, так как они не могли обеспечить весь полет, включая взлет и посадку.

Альтернативная бисистема

Как было указано выше, причина, по которой на рынке существуют несколько вполне взрослых систем, использующих разные принципы действия для выполнения одной и той же функции, заключается в том, что они практически всегда имеют разные (часто противоположные) достоинства и недостатки.  В этих случаях кандидаты в гибриды (две взрослые системы) близки к исчерпанию своих эволюционных ресурсов и перестают развиваться. В то же время во многих случаях после их объединения, в результате которого их достоинства сохраняются, а недостатки компенсируются, новая гибридная система получает вторую «жизнь».  Типичным примером может служить эволюция телескопов, изобретенных Галилеем (рефракторный или линзовый, 1609 г.) и Ньютоном (рефлекторный или зеркальный, 1668 г.). К середине 20-го века самый лучший линзовый телескоп имел очень дорогие линзы, изготовляемые из специального стекла для уменьшения хроматической аберрации, а наилучший зеркальный телескоп имел не менее дорогое зеркало параболической формы для снижения сферической аберрации.  В 1941 г. после 300 лет жесткой конкуренции этих двух систем, Максутов изобрел телескоп, который обеспечил высокое качество изображения, при этом был проще и стоил во много раз меньше, чем исходные телескопы (см. Фиг.  8).

Фиг.  8. Телескоп Максутова

Гибридизация «проигравших»”

В двух предыдущих случаях по крайней мере одним из «родителей» была взрослая система – «победитель» в конкурентной борьбе (Фиг. 9, a, b). Однако, для успешной гибридизации совсем не обязательно выбирать наиболее развитую версию, тем более что она практически всегда и самая дорогая. Во многих случаях гораздо выгоднее сделать «шаг назад» в эволюции и выбрать для гибридизации более дешевые исходные системы, пусть и с худшими параметрами (например, линзы из обычного оптического стекла и дешевое сферическое зеркало в телескопе Максутова).  Но еще лучшие результаты могут быть получены, если отступить существенно дальше назад по эволюционной кривой и проверить настоящих «неудачников», которые были ранее отсеяны из-за неудовлетворительного функционирования и/или трудностей с реализацией.  Как будет показано ниже, группа таких «неудачников» может «объединить свои силы» и породить новую концепцию, которая заложит основы новой S-кривой или новой генерации (Фиг.  9c).

Фиг.  9. Различные виды гибридизации

Дальнейшая эволюция гибридных систем

При проведении гибридизации очень важно иметь в виду разные возможные уровни интеграции. На Фиг. 10 в качестве примера показаны две линии эволюции гибридных систем.

Фиг.  10. Избранныелинии эволюции гибридных систем


Шаг 5. Создание списка кандидатов на следующую генерацию системы

Из Фиг. 11 (см. ниже) можно заключить, что может существовать довольно много кандидатов на следующую генерацию системы.

Фиг. 11. Рассмотрение различных вариантов следующей генерации системы

Для начала имеет смысл рассмотреть возможность дальнейшего развития исходной взрослой системы путем ее «омолаживания» за счет введения новых технологий (микрочипы, голосовое управление, нано технологии и т.д.). Пример – дрон (беспилотный аэроплан).

Другие возможности включают:

  • Разнообразные гибриды[13], как упомянуто выше
  • Усовершенствованная конкурирующая система (системы)
  • Молодая система (системы) – возможно, современный уровень техники теперь это позволяет или система достаточно «подросла»
  • Системы, основанные на альтернативных принципах действия, не принятых ранее, но интегрированных в одну из взрослых систем
  • Принципы действия и системы из других областей, интегрированные в старую систему (перекрестное опыление).

Практический пример – Новый гибридный автомобиль

В процессе усовершенствования автомобилей следующие существенные возможности и варианты конструкции рассматривались, но не выдержали конкуренции:

·         Использование этанола как заместителя бензина (ниже теплота горения)

·         Турбина по сравнению с двигателем внутреннего сгорания (сложная и дорогая конструкция, узкая зона максимальной эффективности; высокая температура горения требует использования дорогих жаропрочных материалов, и т.д.).

·         Попытка добавления воды в бензин для повышения рабочего давления (бензин и вода плохо смешиваются).

·         Электропривод (низкая эффективность и тяжелые аккумуляторы).

·         Электрическая трансмиссия и мотор-колесо (трудность управления системой)

Несмотря на то, что каждый из вышеперечисленных вариантов имел серьезные индивидуальные недостатки, оказалось, что их объединение позволяет эти недостатки компенсировать и даже некоторые из них превратить в достоинства (см. Фиг. 12).

Фиг. 12. Новый гибридный автомобиль

Приведенная выше концепция обеспечивает следующие преимущества.

Фиг. 13. Преимущества нового гибридного автомобиля

Дополнительные преимущества - использование этанола в автомобиле позволит существенно упростить систему подачи топлива – не потребуется топливный насос.  Топливо будет поступать на турбину в виде паров.  Кроме того, упрощается воздушный кондиционер, так как этанол охлаждается при испарении;  Испарения этанола менее опасны, чем испарения бензина для среды и менее взрывоопасны.

Мотор и трансмиссия в турбо-этанол-электрическом автомобиле проще, дешевле и меньше по размерам, чем в обычном автомобиле. Можно ожидать, что такой автомобиль окажется идеальным для автомобилизации стран "третьего мира". 

Заключение

1.      Определение принципа действия рассматриваемой системы очень важно для определения понятий жизненного цикла, генераций и эволюционных ресурсов этой системы. Представление принципа действия как цепочки физических, химических и других преобразований позволяет лучше понять его природу, особенно если это сделано в графическом формате (причинно-следственные диаграммы).

2.      На старте эволюции новой системы рассматриваются и испытываются разные принципы действия для отбора доминирующего варианта.

3.      Наличие типовой полной картины (сценария) эволюции системы позволяет осуществить систематическое изучение возможных вариантов ее будущего развития. Подобно законам и линиям развития, такой сценарий обладает прогнозной мощностью.  Например, попытки проталкивать совершенно новую технологию, прежде чем она была использована в гибридной системе, может оказаться очень дорогой ошибкой. Вместе с тем, ее можно легко избежать, если разработчики хорошо понимают природу технологической эволюции.   

4.      Описанный в статье сценарий также показывает, насколько важен анализ исторического развития системы. Ранние этапы эволюции хранят информацию о неудачных (и, как правило, забытых) вариантах, которые могут стать вполне успешными на более поздних этапах. Эта информация становится чрезвычайно важной для получения исчерпывающего набора возможных решений при выборе  направления работ по развитию системы.

5.      Объединение двух известных систем является только первым шагом гибридизации. Полученный гибрид может быть «скрещен» с «родителем» или другим гибридом: он может использовать принципы, ранее отброшенные из-за недостатков, которые теперь стали несущественным или даже превратились в преимущетва.

6.      Процесс гибридизации имеет свои линии развития. Выявление, документирование и использование этих линий позволяет разрабатывать новые генерации систем.

Библиография

1.      Альтшуллер Г.С. Творчество как  точная наука. М., Советское Радио, 1979.

2.      TRIZ in Progress.  Избранные труды Ideationгруппы разработчиков ТРИЗ.  Ideation International Inc., 1999.

3.      Злотин Б.Л. Союз конкурентов. ИР, 2, 1984.

4.      Герасимов В.М. и Литвин С.С. Зачем технике плюрализм? Журнал ТРИЗ, т..1, № 1, 1990). 

5.      Герасимов В.М., Прушинский В.О. и Др. Зайниев Г.А.   Reconstruction of Technological Evolution through Hybridization of Technical Systems. Proceedings of TRIZCON 2001, Section 10.

6.      Злотин Б.Д. и Зусман А.В. Directed Evolution: Philosophy, Theory and Practice. Ideation International, 2001.

7.      Герасимов В.М., Др. Зайниев Г.А. и Герасимов В.М. Hybridization: The New warfare in the Battle for the Market. Ideation International Inc. 2005.

 



[1]Альтшуллер Г.С. Творчество  как  точная наука. М., Советское Радио, 1979. .

[2]TRIZ in Progress. Ideation International Inc., 1999.

[3]Например, принадлежат ли моноплан и биплан, поршневой, реактивный, турбореактивный и т.п. самолеты  к одной или разным S-кривым?

[4]Первый самолет с реактивным двигателем взлетел в 1910 году, всего через 7 лет после первого полета братьев Райт.

[5]Эта диаграмма только для иллюстрации. В реальности  в таких диаграммах гораздо больше деталей, включая различные элементы, участвующие в работе двигателя, и их параметры.

[6]Для каждого звена выбирается наилучший вариант реализации. Однако, поскольку разные звенья не были предназначены для совместной работы, конструкция системы будет далека от оптимальной.  Потом применяется процесс идеализации, включая согласование, свертывание и т.п.

[7]Законы из первого набора, предложенного Г.С. Альтшуллером в 1975 году.

[8]Здесь мы говорим о системах, которые достигли "состояния зрелости" как этапа развития по S-кривой.

[9]Сегодня некоторые страны или общества могут распределять ресурсы для достижения специальных целей (изобретательские инкубаторы, гранты на исследования  и т.п.). Однако, шансы привлечь серьезное внимание инвесторов или государственных органов достаточно слабы, пока главенствующая парадигма не исчерпает себя.

[10]Объединение конкурирующих систем было впервые описано Б. Злотиным в 1984 году [3]. В конце восьмидесятых годов В. Герасимов и С. Литвин разработали первую пошаговую процедуру для построения альтернативных систем [4]. Позднее В. Герасимов вместе с В. Прушинским и Г. Зайниевым предложили использовать термин "гибридизация", подчеркивающий аналогию с биологической эволюцией [5]. 

[11]Наиболее подробный список возможностей можно найти в  IdeationDirectedEvolution® software.

[12]На ранних этапах эволюции использовались парусно-гребные суда (галеры) .

[13]Полученный гибрид может продолжать процесс гибридизации,  объединяясь со своими "родителями", другими гибридами или вообще другими системами.

 

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Комментарии

Re: Закономерности развития принципов действия технических ...

Изображение пользователя Gregory Frenklach.

Название работы соответствует содержанию ну с о-о-очень большой натяжкой.
Возникает ощущение, что взяли работу по другой теме, дали другое название и слегка подправили.
Но та работа, которую (предположительно) подправили - неплохая :)

Re: Закономерности развития принципов действия технических ...

Одно замечание-вопрос. В статье все примеры описывают наиболее традиционный объект совершенствования в ТРИЗ: машины - преобразователи энергии. Но в современных условиях все большее значение приобретают системы, главная функция которых связана с преобразованием не энергии, а информации; в которых надо совершенствовать не устройства, а материалы, и другие объекты совершенствования, достаточно далеко отстоящие от традиционных машин.

Я знаю, что авторы на практике занимаются совершенствованием не только машин. Интересно было бы узнать о том, насколько согласуется содержание статьи с закономерностями совершенствования иных типов систем.

Re: Закономерности развития принципов действия технических ...

Изображение пользователя AlexZ.

Злотин-Зусман wrote:

Как правило, функция может быть реализована более чем одним путем; в этом случае для каждого принципа действия может существовать своя система (самолет, вертолет и дельтаплан работают на разных принципах, в то время как их главная функция – летать – одна и та же).

1. Имеется в виду, что у самолета и вертолета разные принципы действия?
2. Главная функция самолета, вертолета и дельтаплана - летать?
В нетерпении получить ответ,
AlexZ

Subscribe to Comments for "Закономерности развития принципов действия технических систем"