Инженерное творчество: системный подход

Что такое «техническая система»?

Термины, вынесенные в заголовок, очень часто встречаются в научной и технической литературе последних десятилетий. Это связано с тем, что в наше время в практике проектирования на передний план выступила необходимость решения не одиночных, а комплексных проблем, создания и совершенствования гораздо более сложных, чем это было ранее, технических объектов. Современный специалист весьма часто сталкивается с ситуациями, в которых приходится, с одной стороны, учитывать тенденции технического прогресса отрасли, но и, с другой стороны, — устранять негативные последствия использования устаревших конструкций, устройств и целых технологий. Системный подход — это попытка найти некоторые специфические методы, способные помочь решению всё усложняющегося комплекса проблем, с которыми инженеру приходится сталкиваться на этом пути.

Системные исследования в последние годы получили широкое развитие в самых различных сферах человеческой деятельности. Существуют многочисленные попытки сформулировать, что такое системный подход, системотехника, общая теория систем, дать этим терминам четкое определение. Разные авторы, однако, используя эти понятия при анализе интересующего их круга проблем, вкладывают в них неодинаковый смысл, и поэтому в настоящее время общепринятой трактовки данных терминов не существует. В то же время, понятие «система» носит ключевой характер в ТРИЗ, и именно поэтому (не претендуя на обобщающий характер наших высказываний) мы ниже изложим свою точку зрения на то, что такое системный подход в случае инженерной творческой деятельности. Как методология преобразования систем она включает в себя следующие структурные объекты (приводимый ниже перечень, естественно, не претендует на исчерпывающую полноту):

Понятийный аппарат: — совокупность присущих данному подходу определений и понятий, таких как система, структура, функция, системное качество, противоречие, модель системы.

•Язык описания систем и их взаимодействий (вепольный анализ).

•Законы строения и развития систем (ЗРТС).

•Приемы выявления и анализа новых потребностей.

Приемы анализа функционирования систем.

Приемы (операторы) преобразования систем, методы и алгоритмы их применения.

Приемы синтеза преобразованной системы.

Ряд положений этого перечня будут достаточно подробно рассмотрены на последующих занятиях; в этой вводной лекции мы дадим лишь ряд понятий, необходимых в дальнейшем.

Что мы будем понимать под термином «система»?

Прежде всего, надо понимать, что каждое научное понятие, в том числе и понятие «система», — это некоторая полезная абстракция, вводимая для выделения различных объектов из окружающего мира для удобства его изучения.

Система — это некоторая совокупность взаимосвязанных элементов, обладающая свойствами, не сводящимися к свойствам отдельных элементов.

Можно различать как естественные, так и искусственные, создаваемые людьми системы (например, технические, социальные).

Под технической системой (а именно с техническими системами мы в этом курсе будем иметь преимущественно дело) будем понимать такую совокупность элементов, которая позволяет ей выполнять некоторую полезную для людей функцию.

Элемент системы — относительно целая ее часть, обладающая некоторыми свойствами, не исчезающими при отделении от системы. Однако в системе свойства отдельных элементов не просто суммируются. Чаще всего часть свойств каждого элемента при вхождении его в систему гасится, нейтрализуется, теряет свою индивидуальность. Но зато каждая система в целом обладает каким-то особым качеством, которое не является результатом простого суммирования свойств составляющих ее элементов. В этой связи говорят, что система обладает особым системным качеством (системным свойством).

При этом можно выделить два типа проявления системных свойств:

•непропорционально большое изменение свойств, которые имеются у отдельных объектов, составляющих систему; например, биметаллическая пластина значительно сильнее изменяет свою форму при изменении температуры, чем каждая из составляющих ее пластинок в отдельности;

•появление нового свойства, которым не обладает ни один из составляющих ее объектов; автомобиль, состоящий как минимум из двигателя, передачи, движителя, системы управления, обладает свойством перемещать людей и грузы по поверхности земли, что не способны сделать перечисленные выше его составляющие по одиночке.

Отдельные элементы системы являются подсистемами по отношению к рассматриваемой системе, то есть они также могут состоять из элементов, непосредственно взаимодействующих друг с другом, и т. д. В свою очередь, каждая система может рассматриваться как подсистема (элемент) другой системы более высокого порядка —надсистемы.

Таким образом, сама система, её подсистемы и надсистема, в которую она входит, образуют иерархию, формируя непрерывный ряд все более и более усложняющихся элементов. Наряду с подобным иерархическим рядом существуют (иногда взаимодействуя с ним непосредственно, а иногда и имея к нему лишь отдалённое отношение) другие ряды систем; весь окружающий нас мир и является, по сути, совокупностью этих рядов.

Рассмотренный в качестве примера автомобиль, — это подсистема по отношению к надсистеме «автомобильный транспорт», которая, в свою очередь, является подсистемой ещё более высокоорганизованных систем, объединяющих разные виды перевозок, экономику региона, страны и т. д. В то же время экономика не замыкается на проблемы, связанные с совершенствованием автомобильных перевозок, в ней параллельно функционируют и другие иерархии систем, иногда вплотную связанные с автотранспортом, а иногда зависящие от него в минимальной степени.

Надо иметь в виду, что выделение конкретной совокупности объектов в систему или под(над)систему зависит только от характера той задачи, которую ставит перед собой решающий ее специалист.

Функция системы — это способность системы воздействовать на другую систему, изменяя ее состояние, характеризующееся, в свою очередь, некоторым набором параметров. Носитель функции — конкретная система. Функция системы определяется ее назначением. Цель функционирования задается при создании технической системы и определяет ее выходное состояние, выходные параметры. Не все функции системы равноценны: среди них есть основные, ради выполнения которых система создаётся, и вспомогательные, которые обеспечивают выполнение основной функции, способствуют сохранению жизнеспособности самой системы.

Внутренняя форма организации системы определяет её структуру. Структура — это совокупность элементов и связей между ними, предполагающая их единство и определенную пространственно — временную устойчивость. И то и другое определяется физическими принципами, использованными при осуществлении требуемой полезной функции. Устойчивость предполагает свойство саморегуляции, реализуемой подсистемой управления.

Функции системы и ее структура должны находиться в единстве, взаимосвязи, то есть функция и структура должны соответствовать друг другу. Однако, это единство носит относительный, временный, преходящий характер. В процессе развития системы может происходить рассогласование её структуры и выполняемых функций, что приводит к конфликту. Чаще всего разрешение возникающих противоречий реализуется путем изменения существовавшей структуры вплоть до отказа от её дальнейшего использования.

Набор функций, которые способна выполнять система, со временем может меняться, что скажется на числе элементов, в неё входящих, на распределении функций между отдельными подсистемами. В итоге это приводит к изменению пространственно — временной структуры системы.

Важнейшим свойством любой технической системы является то, что изменение одной из её частей отражается на состоянии других частей и всей системы в целом. И наоборот, изменение системы в целом сказывается на состоянии ее частей. В разных случаях эти взаимосвязи проявляются с разной силой.

Наиболее типичная форма организации систем — иерархическая. По преимуществу иерархия — структура жесткая, с глубокими и прочными связями. И чем ниже по иерархической лестнице, тем жестче становятся связи системы с подсистемами. Это означает, что адекватное задание целей конкретной создаваемой (или совершенствуемой) системы требует предварительного определения целей более широкой системы, в которую она входит в качестве подсистемы. Подобный подход ориентирует поиски решения проблемы не только на уровне самой системы, но и на более высоком иерархическом уровне, — уровне надсистем.

Так, например, повышение долговечности конструкций железнодорожного пути может быть реализовано не только за счет повышения прочностных свойств самих элементов пути (рельсов, шпал, скреплений, балласта), но и за счет совершенствования надсистемы — системы ведения путевого хозяйства (качества ремонтов пути, его текущего содержания), или улучшений в смежной системе — подвижном составе (снижения статических и динамических нагрузок, улучшении состояния ходовых частей подвижного состава). Осознание этого факта привело в свое время к созданию во Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта целого отделения комплексных испытаний подвижного состава и пути.

В общей совокупности подходов к изучению различных по уровню сложности систем можно выделить два фундаментальных.

Во-первых, при изучении системы необходимо представить себе, как происходило её развитие во времени. Это позволяет понять, что вызвало необходимость рождения технической системы, как происходило (или происходит) её развитие, что ждёт эту систему в будущем, когда и при каких условиях наступит её старение, «смерть»… Такой подход, который часто называют «генетическим», весьма продуктивен, поскольку даёт возможность не только оценить эффективность рассматриваемой системы, но и дать рекомендации о целесообразности своевременного перехода от этой системы к новой, сменяющей её в рамках непрерывного процесса эволюции.

Во-вторых, рассматривая систему, необходимо отчётливо представлять её пространственные связи. Как мы уже говорили, каждая система характеризуется значительным числом уровней (подсистема — система — надсистема), связей с другими системами. Любое изменение на одном из этих уровней так или иначе затронет и рассматриваемую систему, причем далеко не все следствия таких изменений могут носить положительный характер. Это означает, что чем больше связей внутри и вне системы мы увидим, тем большим набором возможностей для её совершенствования мы будем обладать.

Подведем некоторый итог относительно того, какими же основными признаками должна обладать совокупность отдельных элементов с тем, чтобы её можно было считать системой?

Таких признака четыре, это:

функциональность (любая система должна выполнять некоторую полезную функцию);

целостность (система — это не простая совокупность отдельных элементов, а ещё и результат их взаимодействия, получить который трудно, а порой и невозможно, если какой-либо из этих элементов удалить);

организация (имеет место иерархия систем различного уровня, причём отдельные элементы должны быть взаимосвязаны не только в пространстве, но и во времени);

системное качество (система обладает качеством, не сводящимся к качествам её отдельных элементов).