Система и основы системного подхода
Система – это совокупность элементов, которая обладает такими качествами, которые присущи только системе в целом, но не свойственны ни одному из ее элементов в отдельности.
Подсистемы. Любая система допускает разделение ее на конечное число подсистем в зависимости от вида решаемых задач и внутренней сложности системы в целом. В подсистемы обычно выделяют более или менее самостоятельно функционирующие части системы.
Элементом называют объект, который при конкретном рассмотрении системы нецелесообразно далее разделять на части.
На процесс проектирования и конструирования оказывает также влияние внешняя среда.
Под внешней средой применительно к рассматриваемой системе понимают совокупность не входящих в состав системы объектов, взаимодействие с которыми должно учитываться при изучении данной системы.
С точки зрения системного подхода следует, что «не машина состоит из деталей, а детали образуют саму машину».
Система (от греч. systema, означающего «целое, составленное из частей») представляет собой множество элементов, связей и взаимодействий между ними и внешней средой, образующих определенную целостность, единство и целенаправленность. В этом смысле практически каждый объект может и должен рассматриваться как система.
При образовании системы отдельные элементы объединяются в единое целое и появляется новое (системное) свойство, не сводящееся к свойствам отдельных элементов. Так система "самолет" обладает свойством летать, которым ни один из элементов не обладает. Но таким свойством не обладает и простая сумма тех же элементов, так как для создания системы нужна особая совокупность взаимосвязанных элементов. Подбор и взаимосвязывание элементов должны осуществляться целенаправленно. Только тогда можно ожидать появления системного свойства (сверхсвойства, т.е. неожиданной весомой добавки к сумме свойств элементов). По каким же правилам должна "складываться" система?
Выявлено три простых закона, определяющих момент рождения и выживания ТС. Рассмотрим первый из них - закон полноты частей системы: необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является наличие и минимальная работоспособность основных частей системы.
Каждая ТС должна включать четыре части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и орган управления.
Для синтеза ТС необходимо наличие этих четырех частей и их минимальная пригодность к выполнению функций системы. Если хотя бы одна часть отсутствует, то это еще не ТС, если хотя бы одна часть неработоспособна, то ТС не "выживает".
Реальные ТС должны двигаться, обрабатывать изделия или информацию, преобразовывать энергию и т.д., поэтому при переходе от модели к натуральной системе требуется введение дополнительных элементов.
Все первые ТС развились из орудий труда: требовалось увеличение полезной функции рабочих процессов, а человек не мог обеспечить нужную мощность. Тогда сила человека заменялась двигателем, появлялась трансмиссия (связь, по которой передается энергия от двигателя на рабочий орган), и орудие труда превращалось в рабочий орган машины. А человек выполнял только роль органа управления.
Например, мотыга и человек – это не ТС. Возникновение ТС связано с изобретением плуга в неолите: плуг (рабочий орган – РО) бороздит землю, дышло (трансмиссия –Тр) припрягается к скоту (двигателю –Дв), а рукоятью плуга управляет человек (орган управления – ОУ). Сначала плугом только рыхлили. Факторы внешней Среды (например, параметры почвы: твердость, влажность, глубина) заставляли искать наилучшую форму плуга. Затем увеличилась потребность: для уничтожения сорняков пласт надо не только рыхлить, но и переворачивать. Изобрели отвал (косо поставленная доска, в которую упирается поднятый лемехом пласт и валится набок). Развиваясь, отвал приобретает плавную выгнутую форму (полуцилиндрическую или винтовую). В ХVIII в. появился цельнометаллический плуг, в ХХ в. - трактор и т.д.
Знание закона позволяет безошибочно определить, является ли данная совокупность элементов технической системой. ТС появляется, как только к рабочему органу "пристраиваются" вместо человека трансмиссия и двигатель. Причем двигатель не следует путать с источником энергии (они совпадают, но не всегда) – энергия может поступать также извне (в том числе от человека), в двигателе она преобразуется в нужный для технической системы вид.
Рис. 2. 1. Схема ТС.
Например, лук – это ТС, так как здесь имеются в наличии РО (стрела), Тр (тетива) и Дв (натянутая тетива и согнутая дуга), а человек - источник энергии и орган управления. Заметьте, что один из элементов (тетива) выполняет двойную функцию (Тр и Дв) – эта особенность (совмещение функций) часто встречается на первом этапе развертывания ТС (превращения в сложную систему) и на этапе свертывания ТС (далеко отстоящем от начала этапе "упрощения" системы путем замены подсистем и самой ТС "умным" веществом).
Если в схему включить изделие, то получим полную принципиальную схему работающей ТС:
Рис. 2.. 2. Структурная схема с изделием.
Пунктиром обведен состав минимальной работоспособной ТС, обеспечивающий ее жизнеспособность.
Следствие из закона 1: чтобы ТС была управляемой, необходимо, чтобы хотя бы одна ее часть была управляемой. Быть управляемой - значит менять свои свойства (параметры) так, как это надо тому, кто управляет.
Например, воздушный шар (аэростат) для вертикального подъема - это управляемая ТС, так как с помощью клапана, выпускающего газ из шара, и мешков с песком (балласта) мы можем, хотя и плохо, управлять подъемом и опусканием шара. Но стоит предъявить к шару повышенные требования - попытаться увеличить полезную функцию за счет движения по горизонтали, как шар превратится в неуправляемую ТС. Аэростат останется неуправляемым воздушным поплавком до тех пор, пока в ТС не будет введен дополнительный управляемый элемент, например, двигатель с винтом.
Система на волнах эволюции
Познакомимся с главным законом развития техники: развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.
Идеальная техническая система - это система, которой нет, а функция ее выполняется.
Прием перевода реальной ТС в идеальную, как мы уже говорили, имеет вполне материальное основание. Это главная тенденция развития техники, она имеет многократное подтверждение в истории техники и справедлива для всех современных ТС. Используя прием в воображаемом изменении объекта, мы "перескакиваем" множество промежуточных ступеней преобразования и получаем вполне нормальную "дикую" идею. Чтобы получить ее, нужно смелое мышление, а чтобы свыкнутся с ней, требуется некоторое время.
Для того чтобы увидеть цепочку таких преобразований, полезно применить простой прием: разместить все события (изменения в ТС) на сжатой (короткой) оси времени и посмотреть, что происходит с ТС, какова самая общая закономерность ее развития. Такое исследование было проведено в самых разнообразных, совершенно не похожих друг на друга системах – из теплотехники, транспорта, связи, вооружения и др.
Рассмотрим основные теоретические положения и проиллюстрируем их примерами.
В наиболее общем виде процесс развития можно представить как ряд последовательных событий (изобретений) на оси времени от момента возникновения ТС до сегодняшнего дня и далее в будущее:
Рис. 2. 3. Общий вид развития систем.
Поскольку
всякое изобретение является полезным,
т.е. увеличивающим главную
полезную функцию (ГПФ) системы
(в противном случае изобретение никому
не нужно и его нельзя считать изобретением),
то целесообразно совместить ось времени
со шкалой роста ГПФ системы:
Рис. 2. 4. Развитие систем с ростом ГПФ.
Таким образом, вся история развития ТС – это непрерывная цепь изобретений и усовершенствований с единственной неизменной целью: увеличение ГПФ. Но одна координатная ось мало что дает, можно заметить лишь неравномерность развития: точки (изобретения) расположены то чаще, то реже. Введем вторую ось – сложность ТС. Сложность очень общий показатель, он отражает всю иерархическую организацию системы: ТС (например, автомобиль) всегда возникает "в одиночестве" и состоит из нескольких простых элементов (закон полноты частей системы), с течением времени она усложняется, "обрастает" множеством подсистем, которые, в свою очередь, делятся на еще более мелкие подсистемы и т.д. - до вещества. Одновременно идет количественный рост однотипных ТС (много автомобилей), появляются системы для их обслуживания (автодороги, гаражи, ремонтные службы и т.п.) - все это объединяется в надсистему (автотранспорт), у которой возникает множество дополнительных систем по управлению (светофоры, ГАИ), производству (автозаводы, нефтеперегонные заводы), сервису, обучению, продаже, уничтожению отработавших ТС и т.д. Все эти изменения, происходящие с ТС, имеют, повторим, одну цель - увеличение ГПФ, например, для автомобиля это будет увеличение скорости, комфорта и безопасности перемещения человека (грузов) в пространстве. Итак, вторая ось - сложность ТС:
Рис. 2. 5. Схема «эволюции ТС».
Переход технических "организмов" от вида А к виду Б подчиняется закономерностям, и ни один изобретатель не может существенно изменить ход развития: перейти, например, от А к Х или повернуть развитие вспять - от Б к А. Развитие системы А идет мелкими "шагами", изменения постепенно накапливаются, и система, в уже сильно измененном виде, превращается в систему Б.
В самом общем виде закономерность развития ТС выглядит так. Начиная с момента своего возникновения, система увеличивает свою ГПФ за счет увеличения сложности, она "обрастает" массой вспомогательных подсистем - это период развертывания ТС. Затем развитие ТС наталкивается на объективные ограничения роста сложности (физические, экономические, экологические) и начинается период свертывания ТС - внешне это выглядит как упрощение ТС; на самом деле, полезные функции, найденные на предыдущем этапе развития и воплощенные в дополнительных подсистемах, начинают выполняться "умным" веществом (идеальным веществом). Идеальное вещество (ИВ) может поглотить в себя одну или несколько частей ТС - мы уже рассматривали такие примеры.
Самое интересное - разобраться: как делается шаг от одного изобретения к другому? Каков механизм продвижения ТС от точки к точке? Ответив на эти вопросы, мы узнаем сущность процесса развития. Анализ истории развития многих ТС показывает, что все они развиваются через ряд последовательных моментов:
Возникновение потребности.
Формулирование главной полезной функции - социального заказа на новую ТС.
Синтез новой ТС.
Увеличение ГПФ - попытка "выжать" из системы больше, чем она может дать.
При увеличении ГПФ ухудшается какая-то часть (или свойство) ТС - возникает техническое противоречие, т.е. появляется возможность сформулировать изобретательскую задачу.
Решение изобретательской задачи с привлечением знаний из области науки и техники (и даже шире - из культуры вообще).
Изменение в ТС в соответствии и изобретением.
Увеличение ГПФ (см. шаг 4).и т.д.
Возникновение потребности. Все, что делается в мире техники, делается ради удовлетворения потребности человека и общества. Если в ТС нет нужды, то она никогда не возникает, а если потребность появляется, то с течением времени она становится все более острой и ничто не остановит человека в ее создании.
Потребности общества постоянно увеличиваются (закон возвышения потребностей), к системе предъявляются повышенные требования. Попытка увеличения ГПФ системы наталкивается на очередное противоречие, и разрешение этого противоречия приводит к очередному шагу в развитии ТС. Так из одного единственного самолета братьев Райт возникла сложная иерархическая система – современная авиация.
Истинные потребности общества следует отличать от надуманных, искусственных и просто глупых. По мнению американского социолога У. Тофлера, около 80% всех произведенных с начала века в США товаров не отвечали истинным потребностям или вообще не были нужны обществу.
За любой современной ТС стоят десятки, сотни, тысячи последовательных (постепенно развивающих) изобретений: за столетнюю историю автомобиля по этой ТС было сделано более 1 млн. изобретений, по велосипеду – более 100 тыс., даже по такой "системе", как карандаш, - более 20 тыс.