Размещено на сайте 15.09.2008.

Человечество создает и развивает Технические Системы (ТС) в соответствии с объективными Законами Развития Технических Систем (ЗРТС). Знание этих законов позволяет предсказывать возможное изменение параметров ТС в будущем. Основы ЗРТС были изложены в статье Г. Альтшуллера [ 1 ] и затем развиты в работах Г. Альтшуллера, Б. Злотина, Ю. Саломатова и В. Петрова [2, 3, 4, 5] и других. В последнее время большое внимание вопросу описания процессов развития систем уделяет Д. Кучерявый [ 6 ].

Целью представленной работы является коррекция существующих понятий, связанных с ЗРТС при минимальном изменении существующей системы Законов.

Мы предлагаем объединить существующие законы повышения идеальности и развития по S-образной кривой в общий Закон Существования Технических Систем. Формулировка Закона: Все ТС проходят стадии возникновения, развития и стагнации (вплоть до возможного исчезновения) по «линии жизни». При этом идеальность системы (которая коррелирует с ее эффективностью), непрерывно растет вдоль «линии жизни», а изменение эффективности системы описывается неубывающей кривой, близкой к S-образной.

Определимся, что именно является объектом нашего исследования. Мы будем рассматривать не отдельно взятую систему, а популяцию ТС, то есть изменение параметров не конкретного пассажирского автомобиля, а тенденцию изменения параметров некоего множества пассажирских автомобилей в мире во времени. Причем, будем делать различия между рекордными моделями и серийными популяциями систем. Рассмотрение рекордных систем необходимо, поскольку именно они определяют пределы развития для серийных систем, но они имеют отличия в процессе развития. Среди серийных моделей будут рассмотрены не все выпускаемые модели, а только лидирующие системы, то есть образцы, дающие начало новой серии.

Также имеются отличия в развитии у систем, имеющих различное назначение. Системы, удовлетворяющие потребности большой группы людей будем называть системами коллективного использования. Такие системы обычно, многофункциональны, выпускаются сравнительно мелкими сериями, либо индивидуально (самолеты, корабли, автомобили) и их развитие предваряется появлением рекордных систем. При этом «линии жизни» рекордных систем значительно опережают развитие серийных систем. Системы, которые непосредственно удовлетворяют потребности человека, будем называть системами индивидуального использования. Такие системы, как правило, однофункциональны и выпускаются крупными сериями (плееры, бытовые телевизоры и.т.д.). Для них не характерно наличие рекордных систем. Системы, действие которых направлено не человека, а на другую систему будем называть поддерживающими системами (подсистемами). Они обычно также однофункциональны. Это двигатели, измерительные системы, материалы и т.д.

Будем различать системы первичные, то есть ТС, которые пришли непосредственно на смену природным системам (автомобиль - лошадь), либо созданные заново (самолет) и вторичные, которые заменили предшествующие ТС с другим принципом действия (самолет реактивный - винтовой).

Далее, предлагаем разделить понятия развития, роста и эволюции систем.

Рост количества систем (выпуска) во времени определяется их тиражированием (выпуском) для удовлетворения потребности со стороны Надсистемы (общества). Рассматривать общее количество используемых систем, затруднительно, так как оно определяется временем эксплуатации. Кривые роста всегда начинаются с "1", так как до этого момента системы не существовало. Рост систем, которые продолжают пользоваться постоянным спросом и занимают определенную нишу, описывается кривыми, близкими к S-образным. Рост систем, которые были вытеснены с рынка конкурирующими системами, описывается колоколообразным кривым.

Развитие системы - это изменение во времени ее параметров (или их совокупности), то есть качества, без изменения физического принципа действия. Кривые развития всегда начинаются с какой-либо определенной величины, поскольку систем с нулевыми значениями параметров не существует. У каждой новой модификации существующей системы параметры обычно улучшаются. Развития систем может в ряде случаев описываться кривой близкой к S- образной.

Эволюция системы - это появление и развитие новой системы с увеличение эффективности и сохранением ее предназначения при изменении физического принципа работы. Каждая новая система образует свою «линию жизни». При этом совокупность «линий жизни» отдельно взятых систем описывается т.н. обобщающей кривой, которая имеет форму, близкую к S-образной.

В данной работе представлены следующие положения:

1.   На зависимости какого-либо параметра от времени могут располагаться только системы, имеющие одинаковую функцию (пассажирские самолеты). Системы располагаются на одной кривой вне зависимости от изменения материала рабочего органа, либо смены вспомогательных подсистем без изменения принципа их действия (для корабля смены: дерево-железо, замена движителя и т.д.). Это является отражением тренда опережающего развития Рабочего Органа.

2.   Общий тренд для основных параметров системы в процессе развития повышается, но значения отдельных параметров системы могут уменьшаться, если появляются ограничения со стороны Надсистемы (например, уменьшение мощности двигателей при повышении их эффективности). 

3.   Системы в процессе развития могут достигать своих предельных значений, если их не вытесняет более совершенная система. Пределами развития параметров систем являются:

3.1.   Для рекордных систем это физические барьеры. В этом случае дальнейшее развитие системы возможно только со сменой ее основного принципа действия.

3.2.   Для серийных систем это технические ограничения со стороны Надсистемы (экономика, безопасность и т.д.).

4.   Графики зависимости отдельно взятого параметра системы могут иметь "ступеньки", т.е. задержки в развитии. Эти задержки могут вызываться следующими причинами:

4.1.   Когда главные параметры системы коллективного использования удовлетворяют большинство потребностей Надсистемы, то начинается массовый выпуск этих системы (рост). Однако когда увеличивается количество систем, то при этом развитие рекордных систем временно прекращается, так как нет необходимости и возможности улучшать их параметры. При этом параметры серийных систем догоняют рекордные. Дальнейшее увеличение параметров системы начинается, когда первоначальные запросы Надсистемы будут удовлетворены и появляются новые, повышенные запросы.

4.2.   Система сталкивается с временными проблемами в развитии. В этом случае изобретатели начинают совершенствовать какой-либо параметр в ущерб другим. Например, масштабировать системы без учета всего комплекса свойств. Это является отражением Закона неравномерности развития и характерно для систем индивидуального использования.

4.3.   Развитие системы ограничивается возможностями поддерживающей подсистемы. Это могут быть параметры используемого двигателя, свойства материала, возможности существующей технологии а также параметры надсистемы (причалы, рельсовый путь, ВПП ...).

5.   Зависимости изменения отдельно взятых параметров могут иметь S-образную форму. Это справедливо для систем:

5.1.   Которые не имели каких-либо ограничений в процессе своего развития (См. п.п.4).

5.2.   Которые следовали за системами, основанными на ином физическом принципе, но в процессе своего развития решившими поставленные проблемы (стратостат - самолет).

5.3.   Вторичных, которые использовали уже существующую инфраструктуру первичных систем (люминисцентные – филаментные лампы, тепловозы - паровозы). Такие системы имеют укороченный 1-й участок на S- кривой по сравнению с первичными.

6. Если какие-либо параметры системы соответствуют «нишевым» потребностям, то есть потребностям, которые соответствуют запросам Надсистемы, то эта система становится родоначальником нового типа систем и общая зависимость для параметров «расщепляется» (параметры средне-магистральных самолетов, диагональ мониторов для компьютеров).

7. Если система полностью удовлетворяет «нишевым» потребностям (по определению Злотина, "совершенные" - consummate), то такие системы могут оставаться неизменными долгие годы (Самолет "Дакота", автомат Калашникова).

8.   Развитие системы обычно описывается S- образной кривой, когда в рассмотрение включаются только лидирующие представители серийных систем и описания системы используется комплексный параметр. Этот параметр обязательно включает взаимоисключающие характеристики системы (скорость-грузоподъемность). В этом случае развитие системы происходит через разрешение противоречия. Обобщенный параметр определяет эффективность системы и никогда не убывает (См. п.п.2). Это является отражением Технического Противоречия и закона Повышения Идеальности.

Рассмотрим пассажирский и грузовой водного транспорт. Предназначением этого вида транспорта является перемещение пассажиров по воде. Это типичная система коллективного использования. Рабочим органом является корпус корабля. Важнейшим параметром этого вида транспорта является его водоизмещение, поскольку именно оно определяет способность судна выполнять свое предназначение.

На Рис.1 представлены данные по грузоподъемности кораблей и судов до 1900 г. Это боевые корабли [7]: парусные деревянные (1), паровые деревянные (2), паровые железные (3), а также крупнейшие паровые пассажирские суда (4) [8].

Из графика следует, что водоизмещение самых разных видов судов и кораблей с удовлетворительной точностью ложится на одну общую зависимость от времени. Небольшая задержка в развитии в 1800-1820 г.г. связана, скорее всего, с тем, что деревянные корабли обладали недостаточной продольной прочностью. На этой зависимости практически не отразились проблемы, связанные с изменением материала корпуса (рабочего органа) с дерева на железо и смены движителя с колесного на винтовой. На более общей зависимости (См. Рис. 2) также не заметны замена клепаного судостроения на сварное и вытеснение паровой машины дизелем.

По нашему мнению малое влияние рассмотренных факторов связано со следующими причинами. Смена материала рабочего органа и замена движителя не оказали влияния на общую зависимость, потому что эти системы прошли период объединения с предыдущими альтернативными системами (композитный набор, колесно-винтовые суда и.т.д.). Паровые суда, являясь новой системой в рамках эволюции ТС «пассажирский транспорт», образовали собственную кривую развития, но она быстро достигла общую кривую развития и слилась с ней. Так как паровые суда это вторичная система, то начальный участок у них почти отсутствует. При этом паровые суда также прошли период объединения с парусами.

Однако, система «парусный корабль» не исчезла. Парусники со стальными корпусами производились еще в начале ХХ века. Возникает соблазн представить этот факт, как снижение параметра ТС (в данном случае скорости) со временем по сравнению с рекордными чайными. Однако, это не так. Скорость этого класса судов была изначально ниже, чем у клиперов, но она не уменьшилась в рамках рассматриваемого класса систем, а напротив, немного возросла.

На Рис.2 представлены данные по увеличению водоизмещения лидеров, то есть крупнейших железных моторных пассажирских судов [8] (А) и количества судов (B) по данным регистрации в агентстве Ллойда (1, 2, 3) [9, 10, 11]. Этот показатель коррелирует с общим количеством кораблей в мире.

На графике роста водоизмещения видна явная задержка в развитии кораблей-лидеров в 1950-1980 г.г., причем наблюдался заметный рост общего количества кораблей. В это же время также наблюдается резкий рост стали, используемой для судостроения, что также является косвенным признаком значительного роста мирового флота [ 12 ].

С нашей точки зрения это явление вызвано целым комплексом причин.

Во-первых, когда параметры системы достигли уровня потребности Надсистемы, то нет необходимости улучшать их параметры. Это не значит, что суда перестали улучшать. Но упор в изменении данной ТС был сделан на такие усовершенствования, как отработка технологий поточной сборки, удешевление эксплуатационных затрат и т.д. Дальнейшее увеличение параметров системы начинается, когда первоначальные запросы Надсистемы будут удовлетворены и появляются новые, повышенные запросы (См. п.п.4.1).

Во-вторых, развитие системы ограничивается возможностями поддерживающей подсистемы, в данном случае это причалы, каналы, мосты и т.д. (См. п.п.4.3). И только тогда, когда эти проблемы были решены, система продолжила свое развитие.

Рассмотрим теперь эволюцию рельсового (железнодорожного) транспорта. Это тоже пример системы коллективного использования. На Рис. 3 приведены данные по росту скоростей рекордных образцов электрических (1), дизельных (2) и паровых (3) локомотивов [13]. Конечно, скорость не является единственной характеристикой этого вида транспорта, но она, в целом, отражает тенденции его развития.

На смену паровозу пришел тепловоз, что отвечало эволюции ТС «рельсовый транспорт». Как и в случае кораблей, смена в локомотивах только типа двигателя с парового на дизельный очень мало сказалась на характере зависимости скорости от времени. Ведь, несмотря на разницу в конструкции, дизель также является тепловым двигателем. Произошло изменение типа двигателя, но это изменение не кардинальное, поскольку «рабочий орган» - колесо, не изменился. Поэтому ТС «тепловоз» продолжает процесс развития предшествующей системы «паровоз».

А вот электрический локомотив начал свою линию, хотя и достаточно близкую к локомотивам с тепловыми двигателями. Это вполне объяснимо, так как у электрических локомотивов не только изменился принцип действия двигателя, но и Источник Энергии ушел в Надсистему. Именно это позволило электровозам занять сейчас лидирующее положение в этом виде транспорта.

Кстати, ТС «паровоз» также никуда не исчезла, а продолжает использоваться в развивающихся странах.

На Рис. 4 приведены данные по росту скоростей паровозов (А) [13] и длины железнодорожных путей в США (В) [14]. На зависимости «скорость-время» для этой системы после подъема, начавшегося в 1820 г.г., наблюдается явная «ступенька» в районе 1860-1890 г.г. В это же время произошло заметное увеличение длины железнодорожных путей в США, а также значительный рост производства и качества стали, которая использовалась железнодорожным транспортом.

Можно предположить, что такая остановка в развитии имеет причины, сходные с проблемами развития водного транспорта. Действительно, созданная Надсистема «рельсы-шпалы» явно ограничила возможности роста скорости. Кстати, до сих пор скорость 120-150 км/ч является предельной для обычных составов. Кроме того, именно тогда наблюдалась остановка в повышении эффективности паровых двигателей [15].

Следующей системой для рассмотрения были выбраны самолеты. Это также по большей части система коллективного использования.

На Рис. 5 представлены зависимости скорости различных летательных аппаратов от времени. Эти графики для скоростей рекордных винтовых самолетов: (1) - [ 16], (2)- [ 17]; рекордных реактивных самолетов (3) - [18 ], (4) - [19] и лидирующих представителей серийных пассажирских самолетов (5) - [ 20].

На графике нанесены только параметры лидирующих моделей, которые затем, при совпадении с запросами Надсистемы, становились родоначальниками новой ветви ТС. Так, от общей зависимости отпочковались самолеты малой (известная всем «Сессна»), средней и прочих авиаций.

На рисунке видно, что рекордные скорости, как для винтовых, так и для реактивных самолетов, достаточно хорошо ложатся на одну общую обобщенную кривую. Это подтверждает уже высказанное предположение, что смена физического принципа двигателя (подсистемы) без изменения рабочего органа не оказывает влияния на характер кривой развития. Тем более что и в этом случае наблюдались варианты объединения альтернативных систем (реактивные стартовые ускорители для винтовых самолетов). Поскольку, реактивный самолет является типичной вторичной системой, то не его кривой развития первый участок практически не заметен, как и в случае паровых судов и тепловозов.

Винтовой самолет испытывал в своем развитии задержки в районе 1910, 1915 и в 1930-40 г.г. По мнению Д. Мартино [23] эти остановки в росте скоростей самолетов связаны с достижением определенных технических барьеров. С ним трудно не согласиться, но необходимо отметить, что преодоление всех этих барьеров сказалось на винтовых самолетах, но практически не отразилось на реактивных, которые являлись вторичной системой. Т.е. данные проблемы были уже решены предыдущей системой (См. п.п. 5.3).

Необходимо заметить, что способствовать развитию могут и системы, основанные на ином физическом принципе, но в процессе своего развития уже решившие поставленные проблемы. Так на зависимости рекордов высоты для самолетов нет задержек в развитии. Это вызвано тем, что проблемы достижения высоты уже были решены на стратостатах.

Для характеристики эффективности пассажирских самолетов был выбран комплексный критерий пассажиро-километры в час, согласно п.п.8. На Рис. 6 приведены данные по зависимость эффективности (A) в пассажиро-километрах в час и скорости (B) в милях/час пассажирских самолетов от времени создания по данным (1) - [ 24], (2) - [ 25], (3) Конкорд и ТУ-144 [ 26] и (4) ДС-3 [22 ].

Этот параметр оказался пригодным для описания систем, движения которых основано на различных физических принципах, но выполняет одинаковую функцию. В то же время, использование только одного из параметров - скорости приводит к гораздо большему разбросу данных (см. Рис 5 В). А сверхзвуковые самолеты в этом случае вообще выпадают из общей тенденции.

На графике есть очень необычный объект. Это легендарный самолет ДС-3 (он же "Дакота" и Ли-2). Выпущенный в 1935 году он достиг максимального для самолетов показателя выпуска (14000 штук) и непревзойденного времени жизни (он до сих пор эксплуатируется в Африке и Латинской Америке). Линия развития этих самолетов «отпочковалась» от общей зависимости и заняла свою нишу. Этот самолет является типичной «совершенной» системой. То есть, его основные параметры настолько соответствовали удовлетворению потребности в данной нише, что практически не требовали улучшения.

Все рассмотренные нами транспортные системы являются многофункциональными. В то же время, существует много систем, которые выполняют только одну функцию.

Например, предназначением дисплеев является создание зрительного образа. Для этого могут применяться устройства, основанные на самых различных физических принципах, но имеющие сравнимые параметры для потребителя.

Очень интересно происходило развитие дисплеев и телевизоров. В течение почти 20 лет размеры телевизоров с Электронно-Лучевыми Трубками (ЭЛТ) как черно-белых, так и цветных, не превосходили 20 дюймов по диагонали. Причем, зависимость для черно-белых телевизоров практически слилась с линией развития цветных. Затем, в районе 1987 года в широкой продаже появились мониторы для компьютеров. Вместе с телевизорами они увеличили свои размеры. Однако бытовые телевизоры задержались на отметке 32', тогда как мониторы достигли 42', после чего, видимо, достигли пределов развития. Судя по всему, размер 32' является оптимальным для использования в бытовых условиях.

А вот развитие Жидко-Кристаллических (ЖК) экранов пошло по совершенно другому сценарию. Здесь первыми появились как раз мониторы. И только в 1995 в Самсунге началось массовое производство ЖК телевизоров. Весьма интересно, что и ЖК вошли в нишу 32'. В то же время, рекордные образцы ЖК уже достигли размеров 80' и продолжают расти.

Такое поведение подтверждает предположение о заполнении определенных "ниш" в развитии ТС, как это было ранее показано на примере самолета ДС-3 (См. Рис. 7).

Зависимости представлены на Рис. 7, где (1) – это мониторы ЭЛТ, (2) мониторы ЖК, телевизоры (3) – черно-белые ЭЛТ, (4) – цветные ЭЛТ, (5) – цветные ЖК. Данные по мониторам взяты из работы [27], сведения о размерах экранов телевизоров фирмы Самсунг были собраны и любезно предоставлены О. Хомяковым.

В работе [27] также приведены отдельные временные графики зависимостей размера монитора по диагонали (дюйм), разрешения (пиксель на дюйм) и относительной стоимости 1 дюйма экрана. Графики зависимости размеров по диагонали и разрешения дисплеев на основе Электронно-Лучевых Трубок (CRT), Жидких Кристаллов (LCD) и плазменных дисплеев (PDP) представлены на Рис.8.

Графики разрешения и размера дисплея по диагонали имеют явно выраженные "ступеньки".

Для дальнейшего анализа нами был введен комплексный критерий эффективности дисплея в размерности Разрешение - Диагональ в единицах «пиксель на дюйм *дюйм (диагонали)». График такой зависимости представлен на Рис.8 С.

Этот график имеет S - образную форму, несмотря на то, что исходные графики имеют «ступени» в развитии. Аналогично выглядят зависимости эффективности для других типов дисплеев, а также различных типов принтеров (матричные, струйные, электронные).

Это позволяет сделать предположение, что в процессе роста разные параметры системы возрастают в разные промежутки времени. То есть, в какой-то момент времени быстрее увеличивалось разрешение, в какой-то - размер. Однако, при использовании комплексного критерия, эта разница сглаживается, и форма зависимости приближается к S - образной. По нашему мнению, это является отражением того, что данные параметры являются антагонистами, т.е. развивая систему, изобретатели решали возникающее противоречие разделением требований к системе во времени.

В представленной работе классифицированы основные виды кривых развития, показана их взаимосвязь для различных ТС. Предложены критерии выбора параметров, которые должны описывать развитие системы. Эти рекомендации позволят улучшить понимания процесса развития техники и позволят более точно прогнозировать этот процесс в целях создания новых образцов техники.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.     Альтшуллер Г.С., О прогнозировании развития технических систем

2.     Альтшуллеp Г.С., Злотин Б.Л., Зусман А.В. ПОИСК HОВЫХ ИДЕЙ: ОТ ОЗАРЕHИЯ К ТЕХHОЛОГИИ Кишинев, "Каpтя Молдовеняскэ" ? 1989

3.     Саломатов Ю.П. СИСТЕМА РАЗВИТИЯ ЗАКОНОВ ТЕХНИКИ 2001

4.     Владимир Петров Серия статей "Законы развития систем

5.     А. Любомирский, С. Литвин ЗАКОНЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ - 2003

6.     Dmitry KUCHARAVY, Roland DE GUIO //Application of S-shaped curve ETRIA TRIZ FUTURE CONFERENCE 2007, Frankfurt, November 7

7.     Weight_Growth_of_RN_First_Rate_Line-of-Battle_Ships_1630-1875.gif

8.     http://en.wikipedia.org/wiki/Passenger_ship

9.     Comparison of the coverage of the Lloydэs and Répertoire Générale registers http://homepages.ihug.co.nz/~j_lowe/C16ComparisonBVLL.htm

10.  Registered World Fleet, 1914-2000 http://people.hofstra.edu/geotrans/eng/ch3en/conc3en/worldregisteredfleet.html

11.  GLOBALIZATION AND THE RACE FOR RESOURCES http://www.ssc.wisc.edu/globalization_and_the_race_for_resources/materials.html

12.  http://www.ssc.wisc.edu/globalization_and_the_race_for_resources/materials.html

13.  Further information: Land speed record for railed vehicles http://en.wikipedia.org/wiki/High-speed_rail

14.  Growth of the Railroad Network in the United States G. Lloyd Wilson and Ellwood H. Spencer //Land Economics, Vol. 26, No. 4 (Nov., 1950), pp. 337-345

15.  Heebyung Koh, Christopher L. Magee A functional approach for studying technological progress: Extension to energy technology Technological Forecasting & Social Change (2007)

16.  Дж. Мартино (JOSEPH P. MARTINO) -ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ (Перевод с английского Technological Forecasting for Decisionmaking NEW YORK - 1972)-1977

17.  Timeline http://en.wikipedia.org/wiki/Flight_airspeed_record

18.  Дж. Мартино (JOSEPH P. MARTINO) -ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ (Перевод с английского Technological Forecasting for Decisionmaking NEW YORK - 1972)-1977

19.  Timeline http://en.wikipedia.org/wiki/Flight_airspeed_record

20.  BOEINGOS AIRPLANE HISTORY  http://seattlepi.nwsource.com/boeing/boeingplanes.pdf

21.  http://ru.wikipedia.org/

22.  http://www.duel.ru/200229/?29_6_4

23.  Дж. Мартино (JOSEPH P. MARTINO) -ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ (Перевод с английского Technological Forecasting for Decisionmaking NEW YORK - 1972)-1977

24.  BOEINGOS AIRPLANE HISTORY http://seattlepi.nwsource.com/boeing/boeingplanes.pdf

25.  Дж. Мартино (JOSEPH P. MARTINO) -ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ (Перевод с английского Technological Forecasting for Decisionmaking NEW YORK - 1972)-1977

26.  http://ru.wikipedia.org

27.  Ashish Sood and Gerard J. Tellis Understanding the Seeds of Growth: Technological Evolution and Product Innovation http://www.marshall.usc.edu/emplibrary/wp04-04.pdf

В тексте сохранены авторская орфография и пунктуация.