Технических систем

Лекции 15

ЗАКОНЫ СТРОЕНИЯ И РАЗВИТИЯ

ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Профессор Лозенко В.К.

Здесь рассматриваются следующие основные вопросы:

· Основные инвариантные понятия теории совершенствования техники.

· Закономерности возникновения и развития потребностей.

· Законы строения технических систем.

· Законы и закономерности развития технических систем.

В разделе 7 МС ИСО 9000:2000 содержатся следующие рекомендации. «При проектировании и разработке продукции или процессов руководству необходимо обеспечить, чтобы организация не только была способна учитывать свою основную деятельность и свои функции, но и все факторы, содействующие тому, чтобы характеристики продукции и показатели процессов отвечали ожиданиям потребителей и других заинтересованных сторон. Например, организация должна принимать во внимание жизненный цикл продукции, охрану труда, возможность проведения испытаний, пригодность, простоту в использовании, надежность, долговечность, эргономику, внешнюю среду, утилизацию продукции, а также определенные риски». Весьма важным обстоятельством является тот факт, что «ожидания потребителя» «идут в ногу» с мировым прогрессом, который определяется законами техноэволюции, действующими объективно и независимо от воли конкретного человека или группы людей. Знание и использование законов техноэволюции необходимо организации для того, чтобы «скорее стремиться к улучшению результативности и эффективности процессов организации, чем ожидать появления проблемы» (раздел 8 МС ИСО 9000:2000). Если «не держать руку на пульсе техноэволюции», то проблемы появятся обязательно.

Законы строения и закономерности развития техники отражают и определяют для отдельных классов технических систем (ТС) и фиксированных моментов времени (или в зависимости от исторического времени) объективно существующие устойчивые, детерминировано или статистически повторяющиеся (при наличии определенных условий) существенные закономерные связи и отношения между потребностями (функциями ТС), критериями эффективности, признаками структуры и внешними факторами.

Различие между законами и закономерностями техники условное и нечеткое. Законы, по сравнению с закономерностями, отражают наиболее важные и фундаментальные связи и отношения, которые проявляются в любой ТС или в очень широком классе разнообразных по функциям и структуре технических объектов. Рассматриваемые закономерности строения и развития ТС разделим на группы:

1) закономерности строения ТС, которые для фиксированного момента времени отражают связи и отношения между основными признаками ТС;

2) закономерности функционирования ТС, которые для времени в рамках рабочих циклов ТС отражают связи и отношения на уровне потоковых, функциональных и реализующих их физических процессов;

3) закономерности развития ТС, в которых отражаются изменения функций, структуры (внутренних факторов), критериев эффективности и внешних факторов в зависимости от исторического времени.

Первые серьезные высказывания по закономерностям техники имеются у К. Маркса. До 60-х годов XX века эта проблема наукой по существу не затрагивалась. В начале 70-х годов вышли книги Мелишенко М.С. [1] и Товмасяна С.С. [2], в которых были обстоятельно рассмотрены закономерности развития техники с философской точки зрения. В 80-х годах появились работы Балашова Е.П. [3], Яковца Ю.В [4], Каменева А.Ф. [5], Половинкина А.И. [6], Кудрина А.Ф. [7,8], в которых вопросы закономерности техники и технетики были рассмотрены с инженерной точки зрения.

Процесс совершенствования техники, как самостоятельный технологический процесс, существует более двух веков, однако, общая теория создания и проектирования новых изделий не была разработана. Такая теория не возникла, по-видимому, потому, что человечество устраивала сложившаяся в ХVII-ХVIII веках эмпирическая технология разработки и проектирования отдельных классов машин и других сложных технических объектов, применительно к которым разработаны были также и частные теоретические построения.

Однако в XX веке возник ряд крупных проблем и вопросов, связанных с развитием техники, на которые не дают ответа частные теоретические построения и эмпирическая технология проектирования. Исчезли "эрудиты", которые имели достаточно полное и детальное представление о биосфере и техносфере и могли прогнозировать негативные последствия ее развития для человека и общества. При отсутствии цельного представления мы не можем сегодня прогнозировать возможные отрицательные последствия комплексного воздействия техники на здоровье, культуру, нравственность людей, их социально-экономическое благосостояние, в том числе катастрофические воздействия, уносящие многие жизни. Произошло и закрепилось крупное нарушение этики специалистов - создатели новой техники просто перестали изучать эти последствия.

Не спасает в этом случае даже прекрасно разработанная и изготовленная отдельная ТС. Примером могут служить равнинные ГЭС, которые нанесли непоправимый ущерб народному хозяйству, хотя разработанные гидрогенераторы и изготовлены с использованием новейших достижений техники и имеютисключительно высокий коэффициент полезного действия, достигающий 98% - 99%.

В ХIХ-ХХ веках производительность физического труда возросла в десятки раз, а в некоторых областях - в тысячи раз. Однако в области инженерно-технического творчества она осталась практически прежней. По ряду причин (обеспечение конкурентоспособности изделий, проектирование гармоничных техносфер и др.) сегодня нужны аналогичные указанным средствам темпы повышения производительности и эффективности инженерного творчества. Определенные работы в рамках поставленной задачи ведутся. В первую очередь необходимо отметить следующие два последовательно возникших направления.

Первое направление связано с созданием и применением, начиная с 40-х годов эвристических методов технического творчества (мозговая атака, сенектика, морфологический анализ и синтез, методы эвристических приемов типа АРИЗ (алгоритм решения изобретательских задач) Г.С. Альтшуллера, библиотек эвристики, физических эффектов, функционально-стоимостной анализ и др.).

Второе направление обусловлено созданием, начиная с 70-х годов, компьютерных средств поддержки инженерного творчества (системы математического моделирования новых технических решений, синтез новых принципов действия с помощью банков данных по физическим эффектам и др.).

Любая новая наука имеет два периода: первый - формирования и становления науки, который часто называют периодом "алхимии", и второй - период с четко выделенными атрибутами уже сформировавшейся науки.

Указанные направления работ по созданию и применению отдельных эвристических и компьютерных методов технического творчества определили, по существу, первый период становления этой науки, называемой технознанием или техноведением. В настоящее время не так интенсивно, как того требует время, ведутся фундаментальные исследования и разработки, направленные на формирование обобщающей науки о техносфере и ее раздела - отдельной дисциплины, которую условно можно назвать "Теория и методы проектирования новой техники".

Эта дисциплина находится в стадии становления. В завершенном виде она будет иметь до десятка крупных составных частей, которые не будем сейчас прогнозировать. Однако сегодня она уже имеет системно увязанные заделы по четырем частям:

· система инвариантных понятий;

· законы строения и закономерности развития ТС;

· методология системного иерархического выбора конкурентоспособных решений;

· методы принятия конструкторско-технологических решений.

В этой лекции будет завершено описание первой части этой дисциплины (инвариантные понятия, ЛК 2 и 4) и рассмотрена ее вторая часть (законы строения и закономерности развития ТС).

Завершая вводную часть, хотелось бы обратить внимание уважаемых читателей на то, что предложенный вашему вниманию материал лекций 6,8,10 и 12, по существу, является основой нового подхода к формированию маркетинговой стратегии предприятия, которую можно назвать “стратегией упреждающего маркетинга”. По моему мнению, прелагаемая стратегия в совокупности с уже известными стратегиями “сбытового маркетинга” и “бенчмаркинга” наиболее полно описывает этот важный этап современного бизнеса. С точки зрения лидерства на рынке, иерархия этих стратегий имеет вид (в порядке возрастания их важности):

1. Стратегия сбытового маркетинга.

2. Стратегия бенчмаркинга.

3. Стратегия упреждающего маркетинга.

1. Основные инвариантные понятия теории совершенствования техники

В предыдущих лекциях [9] были рассмотрены физические, биологические и технические системы, а также негативные результаты техноэволюции. Дано обобщенное представление технического объекта или технической системы, описаны технические функции, реализуемые ТС, и удовлетворяемые потребности, а также сформулированы требования к выбору и описанию критериев развития технических систем. Подробно рассмотрены показатели качества, характеризующие развитие и возможность выживания ТС в конкурентной среде техноценоза, технологические критерии, связанные с возможностью изготовления технической системы, показатели качества ТС, оказывающие влияние на неживую природу и показатели качества, характеризующие влияние ТС на живую природу и человека. Было показано, что в техноценозах действуют объективные, в целом, слабо зависящие от человека, законы развития и борьбы, аналогичные законам, которые действуют в биологических системах.

1.1. Структура (внутренние факторы) технической системы и уровни её описания

Структура ТС обычно имеет четыре уровня описания, иерархическая подчиненность которых следующая:

1) описание функциональной структуры;

2) описание принципа действия;

3) описание технического решения;

4) описание значений параметров.

Иерархическая соподчиненность характеризуется двумя свойствами:

· каждое последующее описание включает в себя предыдущее;

· каждый последующий уровень описания является более детальным и более полно характеризует ТС по сравнению с предыдущим.

Эти свойства схематично изображены на рис.1. Все рисунки к лекции представлены в файле «Рисунки к законам развития».

Функциональная структура (ФС) представляет собой наиболее абстрактное описание ТС. Ее можно представить в виде ориентированного графа, вершинами которого является наименованиями элементов ТС, а ребрами - функции элементов или (и) потоки вещества. Исходя из этого определения, можно представить три типа функциональных структур:

· Конструктивная ФС, у которой ребра представлены только функциями элементов, описанными формулой (1) [9].

· Потоковая ФC, у которой ребра представлена только потоками вещества, энергии или информации и операциями по их превращению (преобразованию) в соответствии с формулой (2) [9].

· Совмещенная ФС, у которой ребра могут быть представлены функциями и потоками, описанными формулами (1) и (2) [9], соответственно.

ФС может описывать конкретную ТС или достаточно широкий класс функционально близких ТС, для которых можно построить обобщенную функциональную структуру.

На рис. 2 представлена обобщенная ФС для класса ТС - мельницы, а в табл. 1 - описание этой структуры. Рассмотренная обобщенная ФС описывает все известные на сегодняшний день мельницы: от ветряных и водяных до современных высокопроизводительных, оснащенных сложными электромеханическими системами, управляемыми от ЭВМ. При проектировании новых ТС или же решении вопроса о новом использовании известной ТС всякий раз необходимо попытаться зафиксировать обобщенную ФC с тем, чтобы не исключать из рассмотрения ТС, построенные на иных принципах действия. Именно здесь берет свое начало достаточно эффективный метод проектирования и оценки технических систем – функционально-стоимостной анализ. Этот метод ориентирован на создание ТС на основании анализа возможности реализации потребных функций, исходя из минимальных затрат при создании всей ТС.

Принцип действия (ПД) дает описание ТС на физическом уровне и указывает, с помощью каких физических эффектов и явлений реализуются функции и подфункции в ФС. Принцип действия тоже представляет собой ориентированный граф, который строится на основе потоков ФС, где для операций преобразования потоков вещества, энергии и информации указывают реализующие их физические эффекты.

Именно на этом этапе происходит разделение технических специалистов на электротехников и гидравликов, на энергетиков и металлургов и т.д. Именно с этого, уже однозначно решенного для себя этапа, начинают процесс проектирования новой ТС практически все “узкие” специалисты. В подавляющем большинстве случаев “узкий” специалист не ставит себе задачу на уровне функциональной структуры

ТС. Обычно, задача ставится так: “разработать электромеханический модуль для привода платформы, совершающей возвратно-поступательное перемещение”. Структура ТС при такой постановке задачи описана уже на уровне принципа действия ("Электромеханическое преобразование энергии") и исключает из рассмотрения другие возможные варианты решения задачи, например, с использованием гидропривода, двигателя внутреннего сгорания и т.д.

В ряде случаев, использование иного принципа действия позволяет создать более эффективную (по совокупности показателей качества) ТС.

Правило № 1. Если описание структуры ТС задано на уровне принципа действия, то проектировщик обязан построить ФС для данной ТС, провести сравнительный анализ возможных ТС, построенных с использованием различных принципов действия, и обоснованно выбрать лучший вариант. Если решение такой задачи не под силу “узкому” специалисту, то он должен получить от Заказчика необходимые доказательства эффективности выбранного направления.

Техническое решение (ТР) представляет собой конструктивное оформление ФС и ПД. Описание ТР обычно дается в виде перечня элементов, их взаимосвязей и взаимного расположения, способов соединения между элементами и последовательности их взаимодействия, особенностей конструктивного исполнения элементов по форме, материалу, соотношений важнейших параметров и т.п. Поскольку каждый элемент ТС может быть разделен на свои элементы и указанным образом описан, то ТР технической системы может быть описано с любой степенью детализации. Описание ТР по уровню и характеру соответствует описанию патентов. Таким образом, ТР представляет собой безразмерное описание ТС, которая может иметь самые различные значения размерных и физических параметров.

Описание параметров - последний и самый детальный уровень описания структуры ТС. Данный уровень описания обеспечивает привязку ТР к конкретным требованиям и условиям. Должен быть выполнен весь комплекс расчетных и конструкторских работ и разработана техническая документация, по которой могла бы быть изготовлена конкретная ТС.

К великому сожалению, до сих пор подавляющее число технических вузов России считает своей главной задачей научить будущих специалистов именно этому навыку (описание параметров). Это понятно. “Узкий” специалист (преподаватель) хорошо и комфортно чувствует себя в своей области. Он не хочет выходить за ее рамки. Весь парадокс сложившейся ситуации заключается в том, что, если для любой ТС заданы функциональная структура, принцип действия и техническое решение, то оптимизация ТС на уровне параметров не дает больше 10-15% по главным критериям эффективности. Сейчас эти работы, в основной своей массе, формализованы. Разработаны и активно используются на ПК самые различные программы расчета, проектирования и конструирования конкретных ТС. От разработчика, по существу, не требуется особой изобретательности и творчества. Этот вид деятельности постепенно переходит в разряд рутинных работ. Развитие ПК заставит разработчиков (в конкурентной борьбе с ПК) переквалифицироваться у постепенно переходить на более сложные, более творческие этапы деятельности (разработка технических решений – изобретений, обоснованный выбор принципа действия, функциональной структуры и, самое главное и трудное, генерация новых потребностей). Невероятно высокие темпы развития ПК в направлении их интеллектуализации, к сожалению, не осознаются у нас ни на одном достаточно высоком государственном уровне. Будем надеяться на рынок. Скорее всего, он заставит.

1.2. Внешние факторы

К внешним факторам (вынужденным внешним воздействиям) относятся явления и воздействия внешней среды, которая влияет на строение, функционирование и развитие ТС. При проектировании новой техники внешние факторы оказывают существенное влияние на структуру и критерии эффективности ТС. Чаще всего действуют следующие факторы:

· Природные: географическое положение, климатические, гидрологические, почвенно-грунтовые условия, биологическая среда, запасы сырьевых и энергетических ресурсов и др.

· Научно-технический уровень: наличие знаний фундаментальных наук, технический уровень мировой техники и ТС, с которыми взаимодействует ТС, имеющиеся технологические возможности и др.

· Искусственные потоки вещества, энергии и информации, с которыми проектируемая ТС находится в функциональном или вынужденном взаимодействии. В частности, ТС, работающие в зонах сильного радиоактивного излучения, существенно отличаются от ТC, работающих в нормальных условиях.

· Личностные: уровень общей культуры, нравственности, образа жизни, образования и подготовки людей, занимающихся созданием, производством и эксплуатацией новой техники.

· Социально-экономические и политические действующие экономические отношения, наличие неудовлетворенных потребностей, социально-экономическая целесообразность реализации потребностей, наступление энергетического кризиса, действующая политика экспорта-импорта, завоевание рынка по определенной продукции и др.

Каждый класс ТС для каждого момента исторического времени имеет достаточно четкий состав внешних факторов.

1.3. Список требований

Наряду с критериями эффективности, которые подробно рассмотрены в [9], каждая проектируемая ТС имеет список внешних и внутренних требований (условий и ограничений), выполнение которых обеспечивает реализацию необходимых потребительских качеств. К таким требованиям относятся, например, условия прочности элементов, соблюдение нормативных температурных режимов, функциональная и конструктивная совместимость, стыковка элементов одной ТС с другими, защита от агрессивной химической внешней среды и т.д.

По отношению к каждой ТС существует понятие необходимого и достаточного списка требований. Невыполнение любого требования из этого списка ухудшает хотя бы одно из потребительских качеств или ТС становятся неработоспособными. Для различных уровней задач выбора проектно-конструкторских решений существует свой необходимый и достаточный список требований.

Правило 2. Искусство и мастерство проектирования новой техники, в первую очередь, заключается в умении составить необходимый и достаточный список требований, в котором значения отдельных требований были 6ы конкурентоспособными и технически реализуемы.