Особенности применения Закона полноты частей системы

Особенности применения Закона полноты частей системы
(методика выявления элементов системы)
В.Д. Бердоносов
Закон полноты частей системы, критерий проверки адекватности, орган
управления, параметры управления.
1 Введение
Закон полноты частей системы был предложен Г.Альтшуллером в его
первой редакции законов развития технических систем [1]. Этот закон определяет жизнеспособность системы в момент своего рождения. Адекватность
выявленных элементов системы реальному техническому (искусственному)
объекту определяет справедливость дальнейшего анализа системы. При анализе системы в соответствии с законом полноты частей системы возможны
неточности, а в некоторых случаях и грубые ошибки. Необходимы критерии
(критерий), позволяющие определить правильность проведённого анализа.
2 Кто есть кто?
Перейдём к обсуждению методики выявления элементов системы.
Все системы можно разделить на две большие группы: системы, в которых относительно просто выявляются элементы и системы, в которых это не
так. К первым относятся такие системы, в которых довольно большое количество подвижных частей, наблюдается преобразование одного вида энергии
в другой, системы прошли довольно большой путь в своём развитии. Например, самолёт, автомобиль, велосипед и так далее. Ко вторым – относятся
системы, в которых отсутствует хотя бы одна из вышеперечисленных характеристик. Например: осветительная лампа, лыжи, ласты, стол, стул и так далее.
Для правильного выявления элементов, как в первой, так и во второй
группы необходим критерий, который позволит определить соответствует ли
полученная модель реальной технической (искусственной) системе или нет.
В большинстве случаев, таким критерием может быть степень соответствия
1
определение системы, взятое из заслуживающего доверия источника (например, энциклопедического словаря). При отсутствии такого определения опорой может служить развёрнутое название анализируемой системы.
Рассмотрим простую на первый взгляд систему под названием «осветительная лампа накаливания». В энциклопедическом словаре [2] находим
определение «лампы накаливания» (определения «осветительной лампы
накаливания» в словаре нет): источник света с излучателем в виде проволоки
(нити или спирали) из тугоплавкого металла накаливаемой электрическим
током до температуры 2500 – 3300 К. На сайте wikipedia.org [3] находим ещё
одно определение: лампа накаливания – осветительный прибор, искусственный источник света;. свет испускается нагретой металлической спиралью при
протекании через неё электрического тока. В качестве системного свойства
могут выступать два понятия: «светить» и «освещать». В соответствии с
определением и названием системы, выбираем системное свойство «освещать», тогда главная полезная функция будет «создавать необходимую
освещённость», а объект воздействия – «освещаемая поверхность», именно
поверхность, так как пространство осветить нельзя. Поясним последнее положение, луч света направленный вверх в небо ничего не осветит, при условии, конечно, что в воздухе нет пыли. Отметим, что если бы мы анализировали систему «лампа накаливания», то могли бы выбрать системное свойство
«светить» (например, рассматривали бы лампы, показывающие границы
взлётно-посадочной полосы). В этом случае у нас изменились бы и главная
полезная функция (быть видимым) и объект воздействия (сетчатка глаза или
поверхность светочувствительных датчиков).
Перейдём к выявлению элементов системы. Рабочий орган: в соответствии с определением рабочего органа [4], должен непосредственно соприкасаться с объектом воздействия. В лампе таким элементом является не нить
накаливания, и не колба, а луч света, то есть поток фотонов, ведь именно он
соприкасается с освещаемой поверхностью. А вот трансмиссия это нить
накаливания. Что же тогда является двигателем? Двигатель это тоже нить
2
накаливания, но двигатель это тело нити накаливания, а трансмиссия поверхность нити накаливания.
Разберём несколько сложных, с точки зрения выявления элементов систем: ласты и горные лыжи. Это только на первый взгляд кажется, что это
простые системы. Фирма “Head”, например, выпускает лыжи, в которых есть
датчики усилий, процессор и исполнительные органы [5]. Такие лыжи называются “chip intelligence system”, и обеспечивают комфортное катание на
сложных склонах, за счёт быстрого (за 5 мсек) изменения жёсткости лыж.
Рисунок 1. Технология “chip intelligence system”
Тогда системное свойство – согласовывать. Объект воздействия – поверхность склона. Рабочий орган – исполнительные органы и тело лыжи между
исполнительным органом и скользящей поверхностью и сама скользящая
поверхность. Трансмиссия – процессор. Двигатель – тело лыжи от креплений
до датчиков усилий и сами датчики усилий.
Итак, ласты. К сожалению, в словаре нет определения искусственной
системы ласты, есть определение только естественной системы: ласты у животных. Такая ситуация, когда словарное определение отсутствует, возникает
и для вновь появившихся систем. В этом случае целесообразно сформулировать собственное, интуитивное определение: ласты это приспособление, прикрепляющееся к ногам человека (пловца), с целью уменьшения затрат мышечной энергии для перемещения в воде. Тогда из возможных системных
свойств: облегчать плавание, ускорять плавание, уменьшать усилия пловца.
3
Остановимся на последнем варианте – уменьшать усилия пловца. Для дальнейшего разбора системы целесообразно привести эскиз. Отметим, что на
сайте [6] приводится описание назначения ласт, совпадающее с выбранным
системным свойством: «ласты дают возможность аквалангистам перемещаться в воде быстрее и с меньшими усилиями; от правильности выбора ласт
зависит, будете ли вы уставать при плавании под водой».
Рисунок 2. Ласты
После того как определились с системным свойством, можно перейти к
объекту воздействия – это вода. Тогда рабочий орган – поверхность ласты, а
трансмиссия рёбра жёсткости, передающие усилия от «галоши» к поверхности ласты. Источником энергии служит нога человека, а двигателем является
«галоша». «Галоша» это некоторое обобщённое понятие, на самом деле существует несколько разновидностей крепления ласты к ноге. Двигатель («галоша») преобразует механическую энергию в механическую же.
Остался последний элемент – орган управления. Это один из самых
сложных для выявления элементов. Для определения органа (органов) управления предлагается следующая методика:
- определить параметры каждого элемента, входящего в систему;
- среди выбранных параметров определить те, которые могут управляться (изменяться);
- среди потенциально управляемых параметров выбрать те, которыми
необходимо управлять, то есть, определить параметры управления;
- для каждого параметра управления определить (или предложить) орган
управления.
Выявим органы управления по предложенной методике у первых самолётов. Первый элемент – крыло. Параметры крыла: площадь, аэродинамиче4
ское качество, удлинение (соотношение длина к ширине), положение центра
тяжести, положение центра давления, профиль крыла и так далее. Для первых самолётов эти параметры практически не менялись, единственно у братьев Райт менялся профиль крыла, путём закручивая (оттягивания) кромки
крыла для придания самолёту горизонтальной устойчивости [7]. Следующий
элемент – двигатель. Параметры двигателя: мощность, число оборотов, КПД,
расход топлива, расход масла и так далее. Управляемых параметров для двигателей первых самолётов, как правило, два: мощность и число оборотов
двигателя, часто оба этих параметров управляются одним и тем же органом
управления – педалью или ручкой газа.
Остаётся открытым вопрос, что же воздействует (управляет) на орган
управления? В классической структуре элементов системы [8] только два
элемента соединяются с внешней средой: рабочий орган воздействует на
объект воздействия и двигатель получает энергию от источника энергии,
(рисунок 3).
Рисунок 3. Схема системы в соответствии с ЗПЧС (канонический вариант)
Но в системе есть ещё один элемент, который тоже, в реальных технических (искусственных) системах взаимодействует с внешней средой – это орган управления. Элементом внешней среды, с которым взаимодействует орган управления, является внешние управление (рисунок 4). Этим внешним
управлением, как правило, выступает человек или непосредственно, или через надсистему. У современных самолётов в крейсерском режиме используется, как правило, «автопилот». Лётчик программирует «автопилот», а он
уже в свою очередь управляет органами управления самолёта.
5
Рисунок 4. Схема системы в соответствии с ЗПЧС (предлагаемый вариант)
Определим органы управления у лампы накаливания, это несколько
сложнее, чем для самолёта. Будем действовать по приведённой выше методике. Первый элемент – поток фотонов. Параметры потока фотонов: интенсивность; длина волны (цветовая температура); телесный угол, в котором
фотоны распространяются. В принципе каждый из этих параметров можно
изменять: интенсивность температурой накаливания спирали; длину волны
оптическими фильтрами, располагающимися внутри или снаружи колбы;
телесный угол – отражателями, находящимися внутри или снаружи колбы.
Тогда можно предложить и органы управления для рабочего органа (потока
фотонов): для изменения интенсивностью можно использовать тот же орган
управления, что для нити накаливания (будет рассмотрен ниже); для изменения длины волны механическая или электронная смена фильтров (или их
характеристик), телесный угол – перемещать отражатель или изменять фокусного расстояния отражателя.
Следующий элемент – нить накаливания (двигатель и трансмиссия). Параметры нити накаливания: температура, работа выхода, сопротивление, срок
службы. Отметим, что все эти параметры должны меняться за счёт возможностей самой системы, а не внешней среды, в данном случае источника энергии. Итак, температура накаливания при постоянном питающем напряжении
может меняться или за счёт изменения сопротивления нити накаливания или
за счёт геометрии нити накаливания. Например, нить накаливания свёрнутая
в спираль будет нагреваться больше, чем вытянутая в прямую линию, так
как, в спирали соседние витки будут подогревать друг друга, по этой причине
6
нагрев всей спирали будет выше. Органом управления в этом случае может
быть что-то, что растягивает или сжимает спираль нити накаливания. Кроме
того, в лампе накаливания происходит самоподстройка сопротивления нити
от температуры: при увеличении температуры сопротивление возрастает,
мощность падает и температура тоже падает, сопротивление уменьшается,
мощность и температура возрастают, и так продолжается до некоторого
установившегося значения сопротивления и температуры. Использовать приведённые выше органы управления вполне возможно, но есть ограничения,
связанные с идеальностью, органы управления, меняющие эти параметры
сложны и дороги, а польза при этом увеличивается незначительно.
Вернёмся к ластам, попробуем для них определить параметры управления. Снова будем действовать по вышеприведённой методике. Первый элемент – рабочая поверхность ласт (рабочий орган). Параметры рабочего органа: площадь, удлинение, форма в плане, форма в профиль, интегральная
жёсткость, распределение жесткости по длине, скорость изменения жесткости, скорость восстановления жесткости и так далее. Рассмотрим, как мы
можем управлять некоторыми из этих параметров. Площадь ласт можно менять, растягивая или сжимая их, при этом, правда, скорее всего, будет меняться их жёсткость. Ещё площадь можно менять, выполнив ласты из частей,
перекрывающих друг: при маленькой площади есть перекрытие, при большой нет (рисунок 5). Изменение жёсткости можно осуществить, вводя,
например, в ласты пьезоволокна, так же как в лыжах фирмы “Head”.
Рисунок 5. Двойные ласты
Подавая затем на эти волокна разное по величине напряжение, мы можем получить разную жёсткость. Тогда можно предложить следующий орган
7
управления для ласт: аккумулятор и регулятор напряжения, изменяя напряжение, пловец будет подбирать оптимальную для себя жесткость ласт.
Выводы
Предложена методика по проверке адекватности выявленных элементов
системы. Методика основывается на соответствии выявленных элементов
словарному определению системы или её развёрнутому названию.
Предлагается дополнить схему основных элементов системы и их взаимодействия с окружающей средой элементом внешней среды «внешним
управление», воздействующим на орган управления.
Предложена методика выявления органа (органов) управления состоящая из чётырёх этапов: выявление параметров элементов, выявление потенциально управляемых параметров элементов, выявление необходимых
управляемых параметров элементов, выявление (предложение) органа (органов) управления для выявленных необходимых параметров управления.
Список литературы
1. Альтшуллеp Г.С. Творчество как точная наука, М.:Советское радио, 1979 – 208 с.
2. Советсткий энциклопедический словарь / Гл.ред. А.М.Прохоров, - 3-е изд. – М.:
Сов. Энциклопедия, 1985, - 1600 с.
3. Лампа накаливания http://ru.wikipedia.org/wiki/Лампа_накаливания 20.04.2009.
4. Иванов Г.И. Формулы творчества, или как научиться изобретать – М.: Просвещение, 1994. – 208 с.
5. Intelligence Technology http://www.head.com/ski/technology.php 20.04.2009.
6. Ласты http://divingempire.net/?p=lasti98 20.04.2009.
7. Robert Q. Riley One Hundred Years After the Wright Brothers' Conquest of the Air
http://www.rqriley.com/wrights.htm
8. Альтшуллер Г.С. Найти идею: введение в ТРИЗ – Новосибирск: Наука, 1986 –
209 с.
8