Главная    От редактора     Основные понятия ТРИЗ, АРИЗ

Размещено на сайте 09.04.2008.



Продолжим ознакомление с архивными материалами. Сегодня вниманию читателей сайта предлагаются «Основные понятия ТРИЗ, АРИЗ» образца 1979 года. Материал был разработан в Горьковской школе технического творчества. Практика его применения в Горьком и Волгограде показала большую эффективность подачи материала через систему базовых терминов, определенных в рамках единой системы понятий. Такой подход давал возможность преподавать ТРИЗ в «сложных» аудиториях – высококвалифицированным инженерам, ученым. Представляется, что и сейчас предлагаемый материал не будет выглядеть как сугубо мемориальный, а может послужить практически, помочь преподавателям раскрыть материал. Особенный интерес могут представлять темы 4 (противоречия) и 6 (структура ТС). В теме 6 по новому предлагается рассматривать вепольный подход к описанию системы, дается краткая таблица типовых элементарных структурных построений.

Полагаю, что материал может быть интересен всем, занимающимся практикой применения и развитием механизмов ТРИЗ.

Редактор

Основные понятия ТРИЗ, АРИЗ

(краткий словарь)

1. Системный подход является отражением и развитием диалектических принципов «всеобщей взаимосвязи» и «развития» и, по сути дела, есть один из принципов диалектического метода познания. Методология системного подхода предполагает представление любого объекта в виде системы и всестороннее ее рассмотрение.

2. Система – комплекс элементов, закономерно организованных в пространстве и времени, взаимосвязанных между собой и образующих определенное целостное единство. Система характеризуется составом элементов, структурой и выполняет определенную функцию.

3. Элементы – это относительно неделимые части целого; объекты, которые в совокупности образуют систему. Элемент считается неделимым в пределах сохранения определенного данного качества системы.

4. Структура – закономерная устойчивая связь между элементами системы, отражающая форму, способ расположения элементов и характер взаимодействия их сторон и свойств. Структура делает систему некоторым качественно определенным целым, отличным от суммы качеств составляющих ее элементов (т. к. предполагает взаимодействие элементов друг с другом по-разному, только определенными сторонами, свойствами, а не в целом.)

5. Функция – внешнее проявление свойств объекта (элемента) в данной системе отношений; определенный способ взаимодействия объекта с окружающей средой, «способность» объекта. Системы обладают многими функциями.

6. Подсистемы (субсистемы) – части системы, представляющие собой некоторые произвольно или естественно выделенные группы элементов. Выделение подсистем производится по функциональному признаку. Один элемент иногда может совпадать с некоторой подсистемой или входить сразу в несколько разных подсистем. При этом связь между элементами внутри подсистем и внутри системы отличается от характера связи между самими подсистемами. Элементы и подсистемы объединяются понятием компоненты системы.

7. Надсистема (метасистема) – система более высокого порядка по отношению к данной, и в которую данная система вписана и функционирует «на правах» подсистемы.

8. Техническая система (ТС) есть искусственно созданное материальное единство закономерно организованных в пространстве и во времени и находящихся во взаимной связи элементов, имеющее целью своего функционирования удовлетворение некоторой общественной потребности. Элементы ТС могут быть как искусственными, так и природными. Любая ТС входит в две системы отношений. С одной стороны – это объект материального мира, подчиняющийся законам природы (в первую очередь законам физики как наиболее общим), с другой стороны, ТС выступает как элемент общественных отношений, т. к. техника является лишь средством для осуществления социальных целей. Если ТС характеризуется пространственным расположением элементов, то ТС – устройство или вещество. Если ТС характеризуется организацией элементов во времени – имеем дело со способом.

Понятие ТС позволяет сформулировать основной признак технического решения (ТР): ТР указывает конкретную ТС, функционирование которой позволяет достичь поставленную цель, т. е. указывает на отношение ТС к некоторой цели.

С позиций системотехники ТС можно представить в виде:

ВХОД – ПРОЦЕССОР – ВЫХОД.

Процессор обеспечивает преобразование входа в выход и в то же время является составляющей (постоянной) входа.

ВХОД и ВЫХОД – отражают взаимодействие системы с окружающей средой. С физической точки зрения на выходе и входе ТС имеет пространство, время, массу, энергию и информацию. С социально-технической точки зрения на входе имеем «потребности» ТС – затраты общества на ее создание, а на выходе – «способности» ТС, основная часть которых есть функции этой системы.

Выступая в форме действия функции ТС в единстве определяют состав и структуру деятельности системы, показывают, что ТС может делать: перемещаться в пространстве, осуществлять нагрев, сопротивляться действию ветра. Остальные «способности» характеризуют, как выполняются действия: надежно, ремонтопригодно и т. п. Для каждой функции в ТС можно выделить соответствующую подсистему.

9. Полезные функции (ПФ) есть функции, соответствующие назначению системы, характеризующие наиболее важные составляющие полезные выходы. В реальных ТС не весь выход является полезным. Полезность той или иной части выхода ТС может быть определена только с социальных позиций. Полезны те «способности» ТС, которые соответствуют ее назначению, т. е. общественным потребностям на уровне надсистемы. Остальные способности могут быть бесполезными или вредными, причем вредным считается то, что активно мешает выполнению полезных «способностей», например, путем разрушения элементов ТС и т. п.

10. Главная полезная функция. Для совокупности полезных функций, выполняемых ТС, всегда можно найти более общую полезную функцию, непосредственно отражающую назначение ТС, цель ее существования и деятельности (и совпадающую с ними). Эту общую функцию называют главной полезной – ГПФ всей ТС в отличие от элементарных полезных функций (далее – просто полезных – ПФ), в совокупности обеспечивающих выполнение ГПФ. Отношения между ГПФ и ПФ такое же, что и между системой и ее подсистемами. ГПФ относится к системе в целом, а ПФ – к ее подсистемам.

11. Положительный эффект. Всякое изменение ТС, увеличивающее возможности этой ТС по удовлетворению потребностей надсистем (и общества в том числе), есть улучшение системы. Улучшение ТС проявляется в следующих изменениях системы на уровне внешнего функционирования:

– количественный рост полезных «способностей» ТС – превращение неполезных «способностей» в полезные;

– устранение вредных «способностей» вплоть до превращения их в полезные;

– увеличение отношения полезного выхода к входу, т. е. повышение эффективности ТС.

Результат улучшения ТС воспринимается обществом как положительный эффект.

12. Применим для изучения процесса повышения эффективности ТС операцию идеализации: представим абсолютный предел этого процесса – получение полезного результата без затрат, чему соответствует эффективность Э = ¥, когда вход = 0. Этот предельный случай (практически не достижимый) назван в ТРИЗ абсолютно идеальной ТС. Это последний выход без входа и без процессора. Это понятие, несмотря на свою фантастичность, позволяет выделить те стороны ТС, стремление улучшить которые является доминирующим в развитии ТС.

Примеры:

1. Абсолютно идеальное устройство – транспортное средство – средства нет, а груз транспортируется (т. е. груз «сам» движется). В реальных ТС это стремление к идеалу проявляется в неуклонном повышении доли полезно используемого веса транспортных средств.

2. Абсолютно идеальное вещество – вещества нет, а эффект от него (прочность, непроницаемость и т. п.) есть, например, способ удержания высокотемпературной плазмы в магнитном поле.

3. Абсолютно идеальный процесс – результат процесса без самого процесса – предусматривает мгновенное получение результата. Именно стремлению к этому способствует непрекращающаяся борьба «за время», за скорость, за производительность и т. д. во всех областях техники.

Стремление к идеальности, проходящее красной нитью через весь процесс развития ТС, по-разному проявляется на разных этапах.

Закономерность приближения ТС к идеалу может быть эффективно использована не только при поиске ТР, но и для их оценки на следующей основе.

Принципы идеальности ТС (по степени их отступления от абсолютного идеала):

а) абсолютно идеальная ТС (машина, процесс, вещество) соответствует случаю получения полезного результата от действия ТС без всяких затрат и практически без самой системы;

б) идеальная ТС имеет в каждый момент времени в каждой точке пространства только те элементы и только те взаимодействия между ними, которые необходимы для достижения полезного результата;

в) в идеальной ТС практически весь вход преобразуется в полезный выход;

г) любые изменения в идеальной ТС происходят сами собой, без увеличения входа, за счет внутренних ресурсов самой ТС.

13. Нежелательный эффект. Изменения в ТС, противоположные улучшению, снижающие возможности ТС по удовлетворению потребности надсистем, – ухудшение ТС, отрицательный эффект. Результат процесса ухудшения ТС, приводящий к невыполнению ГПФ системы, – нежелательный эффект (НЭ).

14. Диалектическое противоречие. Источником развития ТС, как и всякого объекта материального мира, является закон единства и борьбы противоположностей – всеобщий закон развития природы, общества, техники. Противоположностями являются стороны объекта, находящиеся во взаимоисключающих отношениях. При этом под стороной предмета или явления понимается все то, что так или иначе присуще предмету или явлению, характеризует его и может быть познано. Противоположностями в ТС являются «вход» и «выход», полезные функции затраты и «способности».

Взаимодействие противоположностей, когда они одновременно взаимно предполагают и вместе с тем отрицают, исключают друг друга, составляет диалектическое противоречие.

15. Техническое противоречие (ТП) – диалектическое противоречие, проявляющееся в технической системе в виде ухудшения одной стороны ТС на уровне внешнего функционирования (с позиции потребностей надсистемы) при улучшении другой стороны ТС.

Другими словами, ТП можно определить как диалектическое единство взаимообусловленных положительного и нежелательного эффектов в ТС. ТП всегда связано с некоторым компонентом ТС (элементом, группой элементов или взаимодействием элементов), который принято называть узловым компонентом (УК). Этот компонент ТС связан сразу с двумя сторонами ТС, а количественное изменение некоторого параметра (или состояния) этого компонента приводит к улучшению одной и ухудшению другой стороны ТС. Поэтому более точно ТП следует определить как диалектическое единство положительного и нежелательного эффектов, взаимообусловленных количественными или качественными изменениями узлового компонента ТС.

16. Изобретательская задача возникает, когда происходит обострение ТП, присущего ТС. При этом улучшение одних «способностей» ТС за счет количественного изменения некоторых параметров становится невозможным из-за значительного ухудшения других «способностей». Попытки сохранить ТС за счет компромисса между сторонами-противоположностями в этом случае успеха не имеют. Разрешение ТП возможно в случае перехода ТС в новое качественное состояние – диалектический скачок. Это и есть изобретение.

При рассмотрении с более общих позиций проблема разрешения противоречия между общественной потребностью и возможностью ее удовлетворения может быть сведена к одной из двух задач:

а) поиск материальной формы, основанной на законах природы и позволяющей выполнить функцию, соответствующую определенной общественной потребности, – информационная задача (поиск новой системы);

б) разрешение внутреннего диалектического противоречия в технической системе, удовлетворяющей определенную общественную потребность, – задача-противоречие.

Эти два типа задач связаны друг с другом и в практике технического творчества переходят одна в другую.

17. Физическое противоречие. Техническое противоречие по своей форме выступает в ТС на уровне ее внешнего функционирования. На уровне внутреннего функционирования взаимоисключающих отношений между сторонами системы не наблюдается: с физической точки зрения ТС находится в каком-то одном определенном законами природы состоянии. Но если поставить задачу устранения ТП в рамках данной ТС, утверждая положительный и отрицая нежелательный эффекты, то взаимоисключающие отношения проявятся на уровне внутреннего функционирования, в виде несовместимых требований к параметру (состоянию) узлового компонента ТС, точнее к физическому состоянию УК. Такие противоречия называются физическими (ФП). ФП проявляется при постановке задачи устранения ТП, иными словами, ФП – форма выражения проблемы устранения ТП в рамках данной ТС. Разрешение ФП заключается в установлении новых форм организации и движения материи в ТС, при которых осуществляются оба несовместимых требования к состоянию УК, или, по словам К. Маркса, в установлении такой «формы движения, в которой это противоречие одновременно и осуществляется и разрешается».

Тема 1. Введение в теорию решения изобретательских задач (ТРИЗ)

1. Обычно творческую деятельность определяют через результат. В качестве примера можно привести одно из наиболее распространенных определений: «Творчество есть деятельность человека, создающая качественно новые материальные и духовные ценности». Если же попытаться сформулировать определение творчества как процесса, то мы увидим, что творческая деятельность – это процесс поиска решения. В сущности, всю человеческую деятельность можно разделить на две большие области: область рутинных операций и область решения проблем. Представление творчества в виде процесса решения проблем делает самоочевидным вывод: чтобы научно организовать творческую деятельность, нужно прежде всего поставить на научную основу процесс решения проблем. Иначе говоря, нужна ТРИЗ.

2. Решения задач бывают двух видов: строгие и нестрогие. Строгие решения базируются на полной достоверности, точной информации и, как правило, вполне однозначны. Решения, полученные на базе неполной, неточной информации, в условиях неопределенности, называются нестрогими. Соответственно методы получения решений делятся на строгие и эвристические методы. При решении задач, выдвигаемых на современном уровне развития общества, эти методы взаимодополняют друг друга. По мере развития науки многие эвристические методы решения формализуются и переходят в класс строгих по схеме: накопление и систематизация знаний – выработка «чутья», интуиция – формализация, разработка теории – алгоритм.

3. Существующий аппарат решения проблем приспособлен для поиска строгих, количественных решений. К нему относятся такие науки, как системный анализ, теория поиска решений и теория принятия решений. Основной идеей системного анализа является следующее положение: «Решение любой проблемы есть процесс создания новой системы». На системном анализе базируются: системотехника (конструирование больших технических систем) и организационная системотехника (системное конструирование организаций). Теория принятия решений рассматривает методы нахождения оптимальных путей достижения целей. Включает в себя такие дисциплины, как исследование операций (применение математических, количественных методов для обоснования решения во всех областях целенаправленной человеческой деятельности), метод линейного программирования (выбор оптимального решения из большого числа возможных). Теория поиска решений рассматривает процесс поиска решения в условиях неопределенности в информационном плане.

4. Поиском эвристических решений занимается ТРИЗ. К ее основным чертам можно отнести следующие: а) теория должна обеспечивать значительное повышение вероятности получения правильных решений; б) теория должна заниматься поиском решений на качественном уровне; в) теория должна учитывать особенности объекта и субъекта творчества.

ТРИЗ отвечает всем вышеперечисленным требованиям. Кроме того, она базируется на двух основных положениях:

1. Новое, истинно творческое решение в технике соответствует очередному этапу развития объекта, к которому относится решение.

2. Закономерности процесса развития объекта техники познаваемы и могут быть использованы для поиска новых технических решений.

Фактором особенности называется то, что присуще только данной теории, наиболее характерно для нее и отличает эту теорию от аналогичных областей знания. Для ТРИЗ факторами особенности являются:

– использование выявленных закономерностей построения и развития технических систем;

– наличие оптимальной логики выявления задачи и поиска новых технических решений.

ТРИЗ. Список литературы № 1

1. Альтшуллер Г. С. Алгоритм изобретения. М.: Московский рабочий, 1973.

2. Альтшуллер Г. С. Творчество как точная наука М.: Советское радио, 1979.

3. Альтшуллер Г. С., Линькова Н. П. Простота и сложность творчества // ЭКО (Экономика и организация промышленного производства). – 1977, № 3.

4. Бахтамов Р. Б. Изгнание шестикрылого серафима. М., 1961.

5. Диксон Дж. Проектирование систем: изобретательство, анализ, принятие решений. М.: Мир, 1969.

6. Боно Э. Рождение новой идеи. М.: Мир, 1976.

7. Гильде В., Штарке К. Д. Нужды идеи. М.: Мир, 1973.

8. Крик Э. Введение в инженерное дело. М.: Энергия, 1970.

9. Кудрявцев П. С., Конфедератов И. Я. История физики и техники. М.: Просвещение, 1965.

10.  Ланда Л. Н. Умение думать. Как ему учить? М.: Знание, 1975.

11.  Лук А. Н. Психология творчества. М.: Наука, 1978.

12.  Лук А. Н. Мышление и творчество М.: Политиздат, 1976.

13.  Лилли С. Люди, машины, история. М.: Прогресс, 1970.

14.  Ляпунов Б. В. В мире фантастики. М.: Книга, 1974.

15.  Мартино Д. Ж. Технологическое прогнозирование. М.: Прогресс, 1977.

16.  Мухачев В. Как рождаются изобретения. М.: Московский рабочий, 1964.

17.  Селюцкий А. Б., Случин Г. И. Вдохновение по заказу. Петрозаводск: Карелия, 1977.

18.  Хилл П. Наука и искусство проектирования. М.: Мир, 1973.

19.  Янч Э. Прогнозирование научно-технического прогресса. М.: Прогресс, 1974.

Тема 2. Системный подход – основные положения

1. Методология системного подхода предполагает представление любого объекта или явления окружающего мира в виде системы и подробное рассмотрение этой системы.

Система есть комплекс элементов, закономерно организованных в пространстве и времени, взаимосвязанных между собой и образующих определенное целостное единство. Система характеризуется составом элементов, структурой и выполнением определенной функции.

Элементы – это относительно неделимые части целого; объекты или операции, которые в совокупности образуют систему. Элемент считается неделимым в пределах сохранения определенного данного качества системы.

Структура – закономерная устойчивая связь между элементами системы, отражающая форму расположения элементов и характер взаимодействия их сторон и свойств. Структура делает систему некоторым качественно определенным целым, отличным от суммы качеств составляющих ее элементов. Структура является важнейшей характеристикой системы. Ибо при одном и том же составе элементов, но при различном взаимодействии между ними меняются и способности системы.

Функция – такое отношение части (элемента) к целому (системе), при котором само существование или какой-либо вид проявления части обеспечивает существование или какой-либо вид проявления целого. Функция – это не сама деятельность, а лишь отношение действующей части к целому.

2. Представлению объекта (или процесса) в виде системы соответствуют следующие необходимые и достаточные аспекты системного рассмотрения этого объекта:

предметный аспект предполагает рассмотрение системы в статике, временно отвлекаясь от динамики ее реального существования. Целью предметного исследования является ответ на вопрос: из чего состоит данная система? При этом выделяется состав системы и ее структура. То есть проводится компонентный (элементный) и структурный анализ;

функциональный аспект предполагает рассмотрение системы в динамике, выделяя при этом повторяющиеся изменения, деятельность системы. Функциональное исследование отвечает на вопрос: как система действует, работает? При функциональном исследовании исследуется, с одной стороны, механизм внутреннего функционирования системы, т. е. динамика взаимодействия ее элементов. С другой стороны, это исследование имеет направленность в окружающую эту систему среду, взаимодействие с которой составляет внешнее функционирование системы;

исторический аспект также предполагает рассмотрение системы в динамике. Однако при этом выделяется развитие системы, т, е. возникновение, становление, эволюционирование, разрешение, преобразование.

Историческое исследование предполагает проведение как генетического анализа, вскрывающего происхождение системы, так и прогностического анализа, намечающего пути ее дальнейшего развития.

3. Техническая система (ТС) есть искусственно созданное материальное единство закономерно организованных в пространстве и во времени и находящихся во взаимной связи элементов, имеющее целью своего функционирования удовлетворение некоторой общественной потребности.

 

При рассмотрении ТС как некоторой целостности удобно представлять ее с помощью понятий системотехники:

– вход, процессор и выход –

Процессор обеспечивает превращение входа в выход и в то же время является постоянной составляющей входа. Вход и выход отражает взаимодействие системы с окружающей средой. С физической точки зрения на выходе и входе ТС мы имеем пространство, время, массу, энергию и информацию. С социально-технической точки зрения на входе имеем «потребности» ТС (затраты общества на создание и функционирование ТС), а на выходе – «способности» (возможности) ТС.

Полезность той или иной части выхода всегда относительна и определяется качественными потребностями общества, то есть назначением системы.

«Полезная функция», то есть функция, соответствующая назначению системы, характеризует наиболее важные составляющие полезного выхода. Причем для совокупности полезных функций, выполняемых системой, всегда можно найти более общую полезную функцию, непосредственно отражающую назначение ТС, цель ее существования и деятельности (и соответствующую им). Эту общую функцию можно назвать главной полезной функцией (ГПФ) в отличие от элементарных полезных функций (ЭПФ), в совокупности обеспечивающих выполнение ГПФ.

4. Важной характеристикой ТС является отношение полезного выхода к входу (эффективность ТС). Как и всю ТС, ее можно рассматривать в двух планах: физическом и социально-техническим.

Физическая эффективность оценивает эффективность использования пространства, времени, массы, энергии и информации. Наиболее определенно эффективность ТС может быть отражена в социально-техническом плане как отношение полезного результата и затрат.

5. Увеличение возможности ТС по удовлетворению потребностей надсистем, ее улучшение можно конкретизировать и выразить через следующие изменения системы на уровне внешнего функционирования:

– количественный рост полезных «способностей» ТС;

– приобретение новых полезных «способностей»;

– превращение неполезных «способностей» ТС в полезные;

– устранение вредных «способностей» вплоть до превращения их в полезные;

– увеличение отношения полезного выхода к входу, то есть повышение эффективности ТС.

Результат процесса улучшения ТС воспринимается обществом как положительный эффект (ПЭ), а результат процесса ухудшения ТС – как нежелательный эффект (НЭ).

Тема 3. Идеальная техническая система

Методология системного подхода рекомендует проводить исследование любого объекта или процесса от целого к части, от внешнего функционирования к внутреннему, от явления к сущности. В соответствии с этим процесс развития ТС следует рассмотреть сначала как целое, выявить его внешние черты и тенденции, а поток перейти к вскрытию источника и механизма этого процесса.

Развитие – это неотъемлемый важнейший атрибут материи, процесс качественного изменения системы в результате ее самодвижения. Сущность процесса развития как диалектического процесса состоит во взаимодействии между возникновением и уничтожением, между прогрессивными изменениями и изменениями регрессивными.

Каждая ТС и техника вообще имеют четкую направленность своего существования и функционирования на удовлетворение общественных потребностей. В соответствии с этим наиболее существенная тенденция прогрессивного развития ТС, которая по существу является закономерностью, состоит в повышении возможностей удовлетворения потребностей общества с помощью ТС. Эта закономерность проявляется прежде всего в последовательной передаче техническим системам функций, которые выполняет человек в процессе труда. Вторым проявлением указанной закономерности является постоянное улучшение ТС, уже созданных и выполняющих определенные функции, постоянное развитие их от менее совершенного к более совершенному состоянию.

Совершенство ТС определяется их способностью совершать оптимальным образом наиболее сложные процессы. Для ТС стремление к оптимизации функционирования проявляется в виде постоянного повышения эффективности ТС при условии выполнения ею своей ГПФ. Поэтому наиболее желательными являются те ТС, которые обеспечивают получение полезного результата с минимальными затратами. Представим себе абсолютный предел этого процесса. Очевидно, что таким пределом будет получение полезного результата без всяких затрат, чему соответствует эффективность, равная бесконечности. Этот предельный случай (наиболее желаемый, но недостижимый) можно назвать абсолютно идеальной технической системой. Абсолютно идеальная ТС – это полезный выход системы без входа и без процессора. По мере увеличения эффективности ТС все больше приближается к абсолютному идеалу, поэтому эффективность можно использовать для характеристики степени идеальности ТС. (Понятие абсолютно идеальной ТС, несмотря на его фантастичность, позволяет выделить те стороны ТС, те ее «способности», стремление улучшить которые является доминирующим в развитии этой системы.)

Стремление к идеальности по-разному проявляется на разных этапах развития ТС. Пока ТС совершенствуется за счет изменения подсистем, причем сама система принципиально не меняется, улучшаются в основном показатели, соответствующие физической эффективности.

Другая картина наблюдается, когда ТС изменяется принципиально, когда создаются новые ТС, знаменующие развитие целого класса технических средств, выполняющих определенную функцию. Такому развитию соответствует увеличение эффективности в социально-техническом плане, как отношение потребительской стоимости к стоимости. При этом улучшается главная «способность», отражающая стремление к абсолютному идеалу». Другие показатели могут при этом даже ухудшаться.

Закономерность стремления ТС к идеальности впервые была сформулирована Г. С. Альтшуллером: «Каждая машина стремится к определенному идеалу и развивается, так сказать, по своей линии… «Полюсом» для всех линий развития является «идеальная машина». «Идеальная машина» – это условный эталон, обладающий следующими особенностями: вес, объем и площадь объекта, с которым машина работает (то есть транспортирует, обрабатывает и т. п.), совпадают или почти совпадают с весом, объемом и площадью самой машины. …И еще одна особенность идеальной машины: все ее части все время выполняют полезную работу в полную силу своих расчетных возможностей». И далее: «Прогрессивными и действующими в течение долгого времени оказываются только те тенденции, которые приближают реальную машину к идеальной». Эти положения являются ключевой частью разработанной Г. С. Альтшуллером теории решения изобретательских задач.

Для оценки технических решений по признаку идеальности могут быть использованы принципы идеальности, соответствующие определенным чертам реальных ТС. Эти принципы вытекают как следствие из определения абсолютно идеальной ТС. Принципы идеальности, расположенные по степени их отступления от абсолютного идеала, имеют вид:

а) абсолютно идеальная ТС (машина, процесс, вещество) соответствует случаю получения полезного результата от действия системы без всяких затрат и практически без самой системы;

б) идеальная ТС имеет в каждый момент времени и в каждой точке пространства только те элементы и только те взаимодействия между ними, которые необходимы для достижения полезного результата; соответственно, идеальное вещество в каждый момент времени и в каждой точке пространства находится только в необходимом количестве и обладает только необходимыми свойствами, а идеальный процесс идет только в необходимых точках пространства и в необходимые моменты времени и практически мгновенно приводит к получению полезного результата;

в) в идеальной ТС практически весь вход преобразуется в полезный выход (масса, энергия, информация и другие затраты проходят через процессор практически без потерь);

г) любые изменения в идеальной ТС происходят сами собой, без увеличения входа, за счет внутренних ресурсов самой системы.

В реальных ТС выполнение принципов идеальности осуществляется в основном за счет создания динамичных систем, меняющихся в пространстве и времени, «отзывчивых» к изменениям, а также за счет наиболее полного использования «способностей» компонентов системы и всей ТС в целом.

Прогрессивное развитие ТС можно рассматривать как расширение возможностей удовлетворения общественных потребностей путем создания новых средств воздействия на природу, увеличивающих власть человека над ней. Причем создание этих средств идет через освоение новых, более высоких форм движения материи по мере познания их человеком. При этом изменение ТС может идти двумя путями. Первый путь связан с усложнением структуры системы, с увеличением связей между элементами, с наиболее полным использованием «способностей» элементов». Сами элементы при этом не изменяются. Усложнение структуры по сути дела есть освоение кибернетического (управленческого, организационного) аспекта движения материи, связанного с увеличением информации в системе. Однако такое усложнение не беспредельно Оно ограничивается основной формой движения материи в данной системе, поскольку форма движения материи, носителем которой выступает элемент системы, предопределяет возможности этого элемента вступать во взаимодействие с другими элементами. Дальнейшее развитие идет за счет усложнения надсистемы, в которую данная система входит как неизменный элемент. Второй путь развития ТС связан с освоением более высоких форм движения материи, носителями которой выступают элементы системы. При этом структура системы может даже упрощаться, поскольку с переходом к высшей форме движения материи один элемент, как правило, получает возможность обеспечить выполнение функций, которые в старой системе требовали для своего осуществления взаимодействия между несколькими элементами. Этот путь, путь освоения новых форм движения материи, является наиболее перспективным в развитии ТС, поскольку создает предпосылки и для развития путем усложнения структур. Степень использования тех или иных форм движения материи в технике – явление историческое и зависит от степени развития познания, от прогресса науки. На современном этапе развития науки ведущими науками являются физика и химия. Поэтому доминирующей тенденцией в развитии технических систем в настоящее время является освоение во всех отраслях техники физических и химических форм движения материи. Другими словами, технические системы все шире осваивают микроуровень.

Тема 4. Противоречия в технических системах (ТС)

Основные положения ТРИЗ гласят: каждое творческое техническое решение есть звено в цепи развития объекта творчества – технического объекта. Законы (закономерности) развития объектов техники познаваемы и могут быть использованы для поиска технических решений.

Познакомимся с современными представлениями о механизме этого развития. Главный смысл существования техники – удовлетворение потребностей. Поэтому всегда, когда с помощью известных технических средств не удается удовлетворить какую-либо потребность, возникает проблема. Т. е. техническая проблема появляется при возникновении и обострении противоречия между общественной потребностью и возможностью ее удовлетворения.

Эти противоречия возникают постоянно, поскольку потребности динамичны, изменяются качественно и количественно. При качественном изменении потребностей, т. е. при возникновении качественно новой общественной потребности противоречие, порождающее проблему, возникает сразу: потребность есть, а нужного средства и, соответственно, ее удовлетворения нет.

Более распространенным случаем является возникновение проблем при количественном росте общественных потребностей. Однако связь возникновения и обострения противоречия между общественной потребностью и возможностью ее удовлетворения с количественным ростом потребности менее понятна.

В ТС вполне определенные, однозначные количественные изменения внутри системы, на уровне физических свойств и взаимодействий элементов, приводят к двум противоположным результатам на уровне входа и выхода системы: к улучшению одной и ухудшению другой стороны системы. Такое взаимоотношение сторон ТС, при которой улучшение одной стороны за счет количественного изменения какого-либо параметра одного из компонентов системы вызывает ухудшение другой стороны, называется техническим противоречием (ТП).

ТП – очень важное понятие для ТРИЗ. В отличие от противоречия между общественной потребностью и возможностью ее удовлетворения, являющегося внешним по отношению к ТС, ТП, являясь внутренним противоречием, более тесно связано с ТС, ее составом и структурой, с ее изменениями. Оно является движущей силой развития ТС (если рассматривать это развитие как относительно самостоятельный процесс). Тесная связь ТП с развитием системы и с техническим решением позволяет, познав формы разрешения этого противоречия, создать конкретный эвристический аппарат, повышающий направленность творческого поиска. (Разрешить обостренное ТП – значит перевести ТС в такое состояние, при котором ухудшение одной из сторон системы перестает быть недопустимым.)

Из определения ТП следует, что для его выявления необходимо найти:

– улучшаемую и ухудшаемую стороны ТС;

– компонент системы, связанный с этими двумя сторонами. Этот компонент (часть системы), называемый узловым, может иметь вид элемента, группы элементов или взаимодействия элементов системы. Узловым компонентом (УК) довольно часто бывает компонент, входящий сразу в две функциональные подсистемы;

– параметр УК, количественное изменение которого приводит к улучшению одной стороны и ухудшению другой стороны ТС. Параметром может быть длина, температура, мощность, скорость, число элементов, степень дробления, степень взаимодействия и т. п. Количественные изменения этого параметра могут иметь вид «увеличение – уменьшение» или «наличие – отсутствие» параметра – в зависимости от его природы (вплоть до «наличия – отсутствия» самого УК).

Связь УК, его параметра и сторон системы, составляющих противоречие, видна из следующей схемы, отражающей логическую структуру противоречия.

Здесь УК – узловой компонент; А, Б – стороны ТС; а – параметр УК; ā – отрицание; ПЭ – положительный эффект (улучшение); НЭ – нежелательный эффект (ухудшение).

Из приведенной схемы видно, что однозначные количественные изменения на уровне внутреннего функционирования ТС раздваиваются на противоположности – на улучшение и ухудшение внешних сторон системы. Там же видно, что ТП может существовать в двух симметричных формах, соответствующих двум разным количествам (состояниям) параметра УК и, соответственно, двум разным состояниям системы.

Выявление противоречия в том случае, когда известно требуемое улучшение или имеющееся ухудшение одной из сторон ТС, следует производить в следующей последовательности:

1. Построить причинно-следственную цепь между улучшаемой и ухудшаемой сторонами системы:

а) улучшаемая сторона ТС;

б) количественное изменение в системе, необходимое для улучшения указанной стороны;

в) следствия этого изменения на уровне свойств и взаимодействий (действий) элементов;

г) ухудшения другой стороны (нежелательный эффект).

2. Рассмотреть построенную причинно-следственную цепь и в соответствии с логической структурой противоречия уточнить его, выявив УК и его параметр.

3. Записать формулировку ТП по форме:

Следует отметить, что формулировки улучшенной и ухудшенной сторон должны соответствовать внешнему функционированию системы, т. е. каким-то ее способностям, функциям и т. д.

Выявив противоречие, можно наметить пути его разрешения. Для этого вновь обратимся к положениям материалистической диалектики и вспомним, что механизм разрешения противоречий заключается в отрицании. Причем отрицанию подвергается не весь объект, а только то, что мешает его дальнейшему развитию. Когда в системе обостряется противоречие, то внешним проявлением плохого, мешающего развитию, выступает НЭ. В результате отрицания НЭ должен исчезнуть. А ПЭ (улучшение), являющийся другой стороной ТП, должен остаться. По своей сути диалектическое отрицание направлено на устранение противоречия, на его инверсию:

Было бы желательно установить: при каком условии противоречие будет обязательно устранено. Для выявления этого условия обратимся к логической структуре ТП и посмотрим, как она изменится при инверсии этого противоречия (т. е. при улучшении своих сторон системы, составляющих противоречие).

        

Из приведенной схемы видно, что условие устранения ТП состоит в выполнении взаимоисключающих требований к состоянию УК: параметр УК должен быть большим и маленьким, должен быть и не быть.

Стремясь убрать конфликтующие, противоречивые отношения между внешними сторонами ТС, мы получили противоречие внутри системы, на уровне свойств и взаимодействий элементов. Это полученное взаимодействие в отличие от ТП можно назвать «физическим». (Название «физическое противоречие» (ФП) в определенной степени условно. Параметр УК может отражать не только физические, но и химические или биологические свойства элементов системы. Термин «физическое» выбран потому, что физическая форма движения материи наиболее общая.) ФП имеет непосредственную связь с ТП: каждому техническому соответствует физическое противоречие и наоборот. ФП – это, по сути дела, форма выражения проблемы устранения ТП, частный случай антиномий-проблем, известных в формальной логике. Логическая структура ФП получается непосредственно из схем, отражающих инверсию ТП, и имеет вид:

Формулировка ФП, как и все формулировки антиномий-проблем, обладает большой эвристической ценностью. Представляя в предельно обостренной форме проблему устранения ТП, физическое противоречие в то же время указывает и условие этого устранения. Если с позиций формальной логики выражение ФП – это тупик, ошибка, а соединение несовместимых требований – вещь невозможная, то с позиций логики диалектической несовместимость – понятие относительное. Несовместимость истинна лишь при определенных условиях, при их абсолютизации. Поэтому для совмещения несовместимых требований, составляющих противоречие, надо так изменить систему, найти такую форму существования ее, в которой, по словам Маркса, «это противоречие одновременно и осуществляется и разрешается».

Тема 5. Система закономерностей построения и развития технических систем (ТС)

Закономерности построения и развития ТС являются неотъемлемой частью ТРИЗ. Только знание этих закономерностей позволяет сделать творческий поиск по-настоящему направленным, обеспечивает нахождение новых технических решений (ТР), в наибольшей степени соответствующих прогрессу техники и общества.

Вопрос о прикладном значении этих закономерностей, об использовании их для поиска новых ТР наиболее четко был поставлен в работах Г. С. Альтшуллера и руководимой им общественной лаборатории. Выявляемые закономерности сразу же ставились на службу творческому поиску, начиная с первых модификаций алгоритма решения изобретательских задач. В 1971 г. Г. С. Альтшуллером была разработана общая схема развития ТС, вошедшая в состав АРИЗ-71.

Для повышения направленности поиска необходимо представлять себе механизм действия выявленных закономерностей на различных этапах развития ТС, уметь различать первичные и вторичные закономерности.

Прежде всего, следует уточнить сущность понятий «закономерности построения и развития ТС».

В философской литературе закономерности, присущие объектам, системам, общественным формациям и т. п., разделяют на закономерности структуры, функционирования и развития. Поскольку в ТС состав, структура и функционирование связаны между собой самым тесным образом, то для ТС есть смысл объединить все, что связано со структурой и функционированием, одним понятием: «закономерности построения ТС» – это все те общие связи, повторяющиеся в ТС, присущие всем работоспособным ТС, независимо от их стадии развития.

К закономерностям развития ТС можно отнести все те же связи и отношения, которые определяют процесс качественных изменений в работоспособных ТС. Такое разделение понятий не означает, что при рассмотрении процесса развития ТС не следует касаться состава, структуры и функционирования. Напротив, развитие ТС направлено на изменение функционирования систем, что достигается изменением их состава и структуры. Поэтому, рассматривая этапы развития ТС, мы одновременно с раскрытием механизма развития будем отмечать проявление этого механизма на уровне состава и структуры, т. е. на уровне, дающем информацию как инструмент поиска новых решений.

Основные закономерности построения и развития ТС включают в себя общесистемные закономерности и закономерности, присущие только техническим объектам. Общесистемные диалектические закономерности определяют наиболее общие правила построения и общие механизмы развития ТС. А особенные, присущие только технике закономерности, вытекающие из природы этих систем, определяют конкретные формы проявления общественных закономерностей.

Технические системы входят в две системы отношений: с одной стороны, всякая ТС – часть природы, с другой стороны – часть общественных отношений. Отсюда сразу вытекают общие закономерности:

А. По построению ТС:

– состав и функционирование ТС должны соответствовать законам природы;

– результат функционирования (главная полезная функция – ГПФ) ТС должен соответствовать какой-либо общественной потребности.

Б. По развитию ТС:

– главная цель развития ТС состоит в повышении уровня (степени) удовлетворения общественных потребностей;

– основное средство развития ТС состоит в овладении и оптимальном управлении законами природы.

Первый этап «жизни» любой ТС – зарождение. Этому этапу обязательно предшествует изменение в потребностях общества. Изменения эти могут быть или качественными, или количественными. На этапе зарождения ТС главные усилия направляются на обеспечение минимальной работоспособности, которая обеспечивается выполнением двух закономерностей группы А. Но из этих общих закономерностей вытекает ряд более частных (вторичных), конкретных, определяющих состав и структуру ТС:

ТС должна быть функционально полной, т. е. состав подсистем должен быть необходимым и достаточным для выполнения ГПФ;

– должен осуществляться направленный энергообмен между элементами ТС, ее подсистемами и между ТС и окружающей средой;

ТС должна быть управляемой, т. е. должно быть целенаправленное изменение энергообмена путем воздействия на энергопотоки, ТС должна быть энергетически полной;

– в ТС должно быть обеспечено преодоление «параметрического порога», т. е. соотношение характерных параметров и частей ТС.

В соответствии с этими закономерностями энергетические потоки в общем случае должны проходить через следующие элементы энергоцепочки:

Получив минимальную работоспособность, система из этапа зарождения вступает в этап собственно развития. Здесь жизнь системы определяют приведенные ранее общие закономерности развития, первая из которых – повышение возможности удовлетворения общественных потребностей – проявляется в форме двух более частных закономерностей:

интенсификации функционирования ТС за счет неуклонного роста основных характерных параметров;

повышения эффективности ТС за счет повышения степени идеальности системы.

Обе эти закономерности тесно связаны друг с другом: повышение эффективности (идеальности) создает резервы для дальнейшей интенсификации функционирования.

На этапе развития ТС попеременно происходят количественные и качественные изменения, причем качественные изменения по сути своей общесистемны – либо изменяется структура ТС, либо изменяются формы движения материи, реализованные в элементах ТС. Смена форм изменения ТС в процессе развития имеет свою специфику, которая заключается в двух следующих принципах:

принцип наименьшего сопротивления, т. е. всегда сначала стараются изменить параметры, затем структуру и в последнюю очередь – форму движения материи – физический принцип действия;

принцип неодинаковой ценности для общества разных частей ТС. Изменения в ТС направлены, прежде всего, на улучшение характеристик, наиболее ценных для общества.

Чисто количественный рост параметров не может быть бесконечным: в ТС начинают обостряться присущие ей противоречия. Разрешение этих противоречий приводит к качественным изменениям в ТС. При этом, в первую очередь, меняется структура. Изменения физических принципов работы почти не происходит, за редким исключением. На этом подэтапе ускоренного (экстенсивного) развития происходит реализация всех возможностей, заложенных в структуре ТС при зарождении. Повышение степени идеальности идет в основном за счет оптимизации пространственной организации системы. Одновременно, но в меньшей степени, происходит оптимизация и временной организации ТС за счет динамизации элементов этой системы. В целом ТС на этом подэтапе становится все более приспособленной для выполнения определенной функции при сравнительно неизменных условиях, т. е. происходит специализация ТС.

Действие принципов «наименьшего сопротивления» и «неодинаковой ценности» приводит к тому, что в первую очередь развиваются те части ТС, которые обеспечивают рост наиболее важных характеристик. Эти части в своем развитии опережают остальные, что приводит к обострению противоречий, связанных с отстающими в развитии частями, к необходимости новых качественных изменений в ТС. А каждое качественное изменение – скачок в развитии ТС. Таким образом, процесс развития ТС складывается из скачков и характеризуется неравномерностью развития отдельных частей ТС – характерная закономерность развития.

Разной величине скачков соответствуют и разные изменения идеальности. А кардинальные изменения чаще всего приближают к идеальности сам процесс, реализующийся в данной ТС. При этом идеальность самой ТС может даже несколько ухудшаться. Таким образом, неравномерности развития соответствует закономерность неоднородности повышения идеальности ТС в процессе развития.

К тому моменту, когда в системе практически использованы все резервы, присущие данной структуре и данному физическому принципу действия, в развитии ТС наступает период замедления. По возможности и согласованы между собой пространственные и временные ритмы частей, как средство повышения степени идеальности.

Все это создает предпосылки для кардинального качественного скачка, порождающего фактически новую ТС, резервы развития которой достаточны для удовлетворения растущих потребностей общества. Кардинальное преобразование ТС идет по следующим направлениям и соответствующим им закономерностям:

– переход от состояния простого динамизма к сложному. При этом структура ТС усложняется, происходит освоение новых форм движения материи.

На современном уровне науки и техники это проявляется в виде закономерности перехода ТС с макроуровня на микроуровень.

– вторая закономерность связана со становлением и развитием надсистемы, в которую входит данная ТС, за счет усложнения связей данной ТС с окружающей средой. При этом повышается интенсивность функционирования надсистемы и ее идеальность. Переход в надсистему осуществляется всегда при отсутствии резервов развития данной ТС.

Обобщая эти закономерности развития можно сформулировать более общую: этап развития отдельной ТС переходит в этап многоуровневого (подсистема – система – надсистема) системного развития данного функционального класса технических средств с обязательным образованием сверхсистемы. Переход в надсистему позволяет разрешить характерное для нашего времени противоречие между специализацией и универсальностью ТС.

Рассмотренная система закономерностей, разумеется, не отражает процесс развития ТС во всем его многообразии. Она еще несовершенна, ибо работа по выявлению взаимосвязей между закономерностями и формами их проявления только начинается. Однако даже на этом уровне эта работа способствует более направленному использованию операторов и информационного обеспечения ТРИЗ, содержащих в себе основные закономерности построения и развития ТС.

Тема 6. Понятие об обобщенной структуре технической системы.

Синтез ТС

Техническое решение (ТР) указывает конкретное техническое средство, обеспечивающее достижение цели, поставленной конкретной технической задачей (ТЗ). ТЗ и ТР привязаны к частному, отраслевому использованию технических средств и содержат соответствующие признаки. Если в ТР и ТЗ отбросить частные признаки, соответствующие конкретной отрасли или области техники, то можно выявить их функциональность. (При этом за функцию берется простое одноактное действие, связанное с проявлением естественных законов материального мира, таких как нагрев, охлаждение, изменение уровня жидкости, экранирование потока и т. д.)

Таким образом, из ТР и ТЗ можно выявить функциональное (физическое) решение (ФР), соответствующее функциональной задаче (ФЗ). ФЗ и ФР носят общетехнический, межотраслевой характер. Одни и те же ФЗ и ФР встречаются в самых разных областях техники.

Схематически соотношение между ТР и ФР можно представить таким образом:

ТР = ФР + Пноб,

где Поб – нарастающие объектные признаки той или иной исторически сложившейся отрасли техники, отличающие друг друга от множества ТР с одним и тем же ФР.

Как ТР, так и ФР описывают техническую систему, предназначенную для выполнения определенной функции, соответствующей поставленной задаче (ТЗ или ФЗ).

Однако в ТР отражена, как правило, полная система, содержащая множество элементов, предназначенных для выполнения различных функций. В ФР отражена минимальная система, содержащая только те элементы, которые необходимы для выполнения одной определенной функции. Эти элементы, их состав, взаиморасположение и связи между ними составляют функциональную структуру (ФС), а действия, взаимодействия преобразования и т. п. этих элементов являются признаками динамики (ПД).

Структура определяет качественней состав системы в пространстве, а признаки динамики, кроме того, во времени.

Связь между ФР, ФС и ПД можно представить следующим образом:

ФР = ФС + ПД

При этом надо отметить, что в ФР (ФС и ПД) отражена физическая сущность элементов и взаимодействий между ними: вещество, его агрегатное состояние, тип взаимодействий, физические эффекты и явления и т. п.

Если освободить ФР от физической сущности, то от минимальной, но реальной системы мы перейдем к обобщенной абстрактной системе, которая описывается обобщенным решением (ОР). Так же как и ФР, ОР решает определенную задачу – обобщенную задачу (ОЗ).

ОР содержит признаки обобщенной структуры (ОС) и обобщенные признаки динамики (ОПД).

ОР = ОС + ОПД

На данном уровне обобщение осуществляется путем отброса признаков, характеризующих физическую сущность.

Для наглядности ОС удобно представлять в виде условных обозначений:

В – вещество; → поле.

Анализ показывает, что все работоспособные технические системы можно свести к небольшому числу ОС. Следовательно, появляется возможность осуществлять синтез технических систем путем выбора необходимой модели на уровне ОС и последующего его развития по цепочке:

ОС → ОР → ФР → ТР

Раздел ТРИЗ, занимающийся выявлением типовых моделей технических систем на уровне обобщенных структур, называется вепольным анализом.

Модель технической системы на уровне обобщенной структуры называется веполем.

Минимальный работоспособный веполь может быть двух видов:

В1                   В2       (преобразование веществ)

             В                     (преобразование полей).

Под полем в вепольном анализе понимается состояние области пространства, в каждой точке которого обнаруживается упорядоченное (предсказуемое) поведение материальных тел или частиц (веществ) определенной по отношению к полю природы.

Под веществом в вепольном анализе понимается материальное тело (вещество, комплекс веществ, агрегат, устройство), неделимое в пределах сохранения определенного данного качества системы и реагирующее на наличие определенного поля по интенсивности (по виду).

Неработоспособные ТС могут быть заданы ОС – моделями:

а) как один элемент (вещество или поле), измерение или обнаружение которого вызывает затруднение;

б) как два элемента, не взаимодействующих друг с другом (два вещества, вещество и поле, два поля).

Типовые пути синтеза элементарных структур включают в себя введение нового вещества либо измельчение уже имеющихся веществ.

Типовые элементарные структурные построения

Пути синтеза


Введено новое вещество

Изменено существу-
ющее вещество (введено новое поле)

Примечания:

Вновь вводимые элементы выделены замкнутым контуром.

Введение нового вещества может сопровождаться введением направленного к нему управляющего поля (в таблице не показано).

В тексте сохранены авторская орфография и пунктуация.


Главная    От редактора     Основные понятия ТРИЗ, АРИЗ