Свойства технических систем как объектов исследования. Понятие технических систем, законы строения и развития технических систем

Разработана методика моделирования объектных моделей сложных технических систем. Методика основана на классификации технических систем. Рассмотрены существующие системы классификации по виду, по составу технических систем. Сделан вывод о том, что существующих систем классификации недостаточно для построения методики моделирования сложных технических систем. Предложена классификация технических систем по структуре ее элементов, включающая три типа структур: парковая, сетевая и линейная. Рассмотрена методика построения объектной модели технических систем, имеющих сетевую и линейную структуру. Методика построения объектных моделей позволяет учитывать особенности инфраструктуры функционирования технической системы, взаимосвязь комплексов технических систем, а также структуру того оборудования, которое используется в комплексах технических систем.

техническая система

классификация технических систем

структура технической системы

1. ГОСТ 27.001-95 Система стандартов «Надежность в технике».

2. Кириллов Н.П. Признаки класса и определение понятия «технические системы» // Авиакосмическое приборостроение. – 2009. – № 8.

3. ОК 005-93 Общероссийский классификатор продукции.

4. ПР 50.1.019-2000 Основные положения единой системы классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации и унифицированных систем документации в Российской федерации.

5. Хубка В. Теория технических систем. – М.: Мир, 1987. – 202 с.

В задачах проектирования систем автоматизации управления организационно-техническими системами (ОТС) важное место занимает задача моделирования технической части таких систем. Разнообразие видов технической составляющей ОТС, сложность ее структуры требует разработки общих подходов к моделированию технических систем.

Формулировка термина техническая система (ТС) зависит от поставленной задачи . Базовым элементом систем автоматизации управления ОТС является информационная среда, в которой содержатся сведения о структуре технической системы. Поэтому при моделировании технических систем для решения задач автоматизации ОТС можно ограничиться следующим определением: «Техническая система это взаимосвязанная совокупность технических объектов, предназначенная для выполнения определенных функций». Здесь технический объект это любое изделие (элемент, устройство, подсистема, функциональная единица или система), которое можно рассматривать в отдельности .

Классификация технических систем

Разработку моделей технических систем целесообразно подчинить набору правил, что позволит упорядочить процесс создания модели и повысить качество моделирования. Важнейшим из таких правил является использование классификация технических систем как основы построения модели технической системы. Наличие классификации технических систем позволяет идентифицировать вид структуры сложной технической системы, что позволяет провести декомпозицию системы в соответствии с типовой структурой.

Классификация с точки зрения состава технических систем

Рассмотрим существующие системы классификации технических систем. Все технические объекты, которые производятся на предприятиях, имеют классификационные признаки в соответствии с Единой системой классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации (ЕСКК) . Основной целью классификации в системе ЕСКК является упорядочение информации об объектах, что обеспечивает совместное использование этой информации различными субъектами. Из классификаторов, представленных в ЕСКК, для задачи моделирования технических систем наибольшее значение имеет общероссийский классификатор продукции (ОКП) , который содержит перечень кодов и наименований иерархически классифицированных групп видов продукции.

Для задачи моделирования структуры технической системы наибольший интерес представляет классификация по уровню сложности технической системы . Выделены следующие уровни сложности:

I. Конструктивный элемент, деталь машины.

II. Узел, механизм.

III. Машина, прибор, аппарат.

IV. Установка, предприятие, промышленный комплекс.

При разработке классификации технических систем необходимо учитывать принципы разделения изделий на части, которые приняты в Единой системе конструкторской документации. ГОСТ 2.101-68 «Виды изделий» определяет изделие как предмет или набор предметов, изготовляемых на предприятии, и делит изделия на следующие виды:

• Детали - изделия, не имеющие составных частей.
• Сборочные единицы — изделия, состоящие из нескольких частей.
• Комплексы — два или более изделия предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций.

Сравнивая классификации по уровню сложности и по видам изделий, можно сделать следующие выводы:

• Обе классификации выделяют в качестве простейшего объекта деталь.
• Понятие сборочная единица соответствует как понятию узел, так и понятию машина (прибор, аппарат).
• Понятия промышленный комплекс (установка) и комплекс как вид изделия отражают одинаковое свойство - объединение частей в единое целое.

Объединяя классификацию по уровню сложности, видам изделий и по видам продукции, введем следующие элементы классификации по составу технической системы:

• Техническая система это совокупность технических объектов, выполняющих определенную функцию, соответствующую цели ее создания.
• Оборудование - изделие, представляющее собой продукцию.
• Узел - часть изделия, собираемая по сборочному чертежу.
• Деталь - часть оборудования или узла, выполненная из однородного материала, изготавливаемая по детальному чертежу.
• Комплекс оборудования - два и более оборудования, предназначенных для выполнения общих функций.

Узел и деталь являются элементами оборудования, а комплекс - это объединение оборудований. Объединение оборудований в комплексы может разделяться по уровням объединения - комплекс верхнего, среднего и нижнего уровня.

Рис. 1. Иерархическая структура технической системы

Классификация с точки зрения структуры технической системы

Техническая система как составная часть организационно-технической системы может быть отнесена к одному из следующих структурных представлений:

• Списочная (парковая) структура однородных объектов, между которыми отсутствует взаимодействие. Каждый объект выполняет свою функцию.
• Сетевая структура технической системы - совокупность технических объектов, между которыми есть взаимодействие. Для такого типа структуры необходимо описание не только самих технических объектов, но и описание элементов инженерной сети, через которую происходит взаимодействие технических объектов;
• Структура линейной технической системы.

Примерами парковой структуры являюется автопарк или парк оборудования предприятия. Примером сетевой структуры являются система теплоснабжения города, включающая центральную тепловую станцию (ЦТС), совокупность тепловых пунктов (ТП) и тепловые сети для передачи теплоносителя от ЦТС к ТП и от них к жилым домам.

Примером структуры линейной технической системы является железнодорожный путь, который формируется рядом локальных и линейных инженерных сооружений - верхним строением пути, состоящим из рельсов, шпал, скреплений и балласта, и искусственными сооружениями.

Сетевая структура технической системы отличается от парковой структуры наличием сетевой компоненты, обеспечивающей взаимосвязь элементов. Это позволяет рассматривать парковую структуру является частным случаем сетевой структуры.

Моделирование структуры технических систем

Задачей моделирования структуры технической системы является отображение структурных свойств технической системы, описание отдельных ее подсистем и элементов. В зависимости от целей проекта автоматизации одна и та же техническая система будет представлена разными моделями. Отличие моделей технической системы будет заключаться в полноте и детальности описания структурных свойств технической системы. Полнота описания ТС определяется той частью комплекса технических объектов, которая будет учтена в модели ТС. Детальность описания ТС определяется тем уровнем иерархии, вплоть до которого будут учтены элементы ТС.

Объектная модель технической системы

Базовой моделью технической системы является ее объектная модель. Объектная модель ТС технической системы отображает ее структуру и должна отвечать на вопрос: «Из каких частей состоит каждый элемент технической системы?». Использование принципа деления целого на части определяет иерархический характер объектной модели технической системы.

Рассмотрим проблемы построения объектной модели для сетевой и линейной технической системы.

Объектная модель сетевой технической системы

Построение объектной модели основано на анализе следующей технической документации:

• Схема расположения комплексов технической системы и экспликации к ней.
• Эксплуатационная документация на каждый вид оборудования, используемый в технической системе.
• Техническая документация на сетевой комплекс.

Схема расположения позволяет определить положение элементов технической системы по отношению к элементам инфраструктуры функционирования технической системы. Для технической системы, расположенной в черте города, положение объектов указывают по отношению к улицам и домам. Для технической системы, расположенной на промышленном предприятии, положение объектов указывают по отношению к номеру цеха и номеру ячейки в данном цехе, которые образованы опорными колоннами. Могут быть использованы и другие способы указания положения объектов по отношению к элементам инфраструктуры функционирования ТС. На схеме расположения указываются комплексы технической системы, элементы сети, обеспечивающие взаимодействие комплексов и элементы инфраструктуры функционирования технической системы. Пример схемы расположения дан на рис. 2. На схеме представлена техническая система, состоящая из 4-х комплексов технических средств (КТС 1, 2, 3, 4), и физическая сеть, объединяющая КТС в единую систему. Сетка {A, B, C, D; 1, 2, 3, 4}служит для позиционирования элементов технической системы в системе функционирования технической системы.

На основе анализа модели уровня технической системы необходимо выделить:

• Виды комплексов технической системы.
• Виды элементов инженерных сетей.

Виды комплексов технических систем определяются по критерию одинаковой внутренней структуры. Для каждого вида комплекса технической системы необходимо построить свою модель, в которой отображаются комплексы технической системы нижнего уровня и те виды оборудования, которые используются в данном комплексе.

Рис. 2. Схема расположения комплексов технической системы

Рис. 3. Объектная модель комплекса технической системы

Так как каждый вид оборудования имеет свою внутреннюю структуру, то для каждого вида оборудования необходимо построить свою модель, в которой это оборудование разделено на узлы и детали.

Завершающим этапом разработки модели сетевой технической системы является разработка модели инженерных сетей. На этапе анализа схемы расположения технической системы и экспликации к ней необходимо выделить виды технических объектов, которые использованы для построения инженерной сети ТС. Рассмотрим модель инженерной сети на примере трубопроводной сети, основные элементы которой представлены на схеме.

Отличительной особенностью трубопроводной сети, является то, что часть ее элементов (трубы, соединительные элементы) изготавливаются по монтажной схеме, а часть (арматура) является определенным видом оборудования. Однако в большинстве случаев, разрабатывать модель внутренняя структура арматуры не требуется.

Рис. 4. Объектная модель оборудования

Рис. 5. Объектная модель сетевой структуры технической системы

Объектная модель линейной технической системы

Особенностью линейной технической системы является использование технических объектов для формирования инфраструктуры. Рассмотрим проблемы создания объектной модели распределенной технической системы на примере железнодорожного пути.

Железнодорожный путь - сложный комплекс линейных и сосредоточенных инженерных сооружений и обустройств, расположенных в полосе отвода. Основным элементом железнодорожного пути является рельсовая колея, которая образована из рельсов, шпал, скреплений и других элементов, которые вместе составляют верхнее строение пути. Верхнее строение пути укладывают на земляное полотно. В местах пересечения железнодорожного пути с реками, оврагами и другими препятствиями верхнее строение пути укладывается на искусственные сооружения. К важным устройствам железнодорожного пути относят стрелочные переводы, так как вся сложная структура железнодорожных путей основана на их разделении (соединении), которое происходит в стрелочном переводе.

Технической системой является совокупность железнодорожных путей, представляющих единое целое - инфраструктурную часть железной дороги как целостную часть организационно-технической системы. В действительности в инфраструктурную часть железной дороги кроме железнодорожного пути входят и устройства электроэнергетики, сигнализации и связи. Однако структурообразующим элементом инфраструктуры железной дороги является железнодорожный путь.

С геометрической точки зрения железнодорожный путь представляет собой сеть, состоящую из узлов и дуг. Дугами являются участки железнодорожного пути между двумя узлами. Узлами являются объекты, соединяющие несколько участков железнодорожного пути.

Схема расположения железнодорожных путей представляет собой совокупность узлов и дуг, каждый из которых имеет уникальное имя.

Рис. 6. Схема расположения объектов линейной технической системы

Для представления элементов линейной технической системы необходимо представить иерархическую структуру объектов, которая в совокупности образует эту систему. Если ограничиваться только основными элементами, то модель инфраструктурной части железной дороги может быть представлена на следующей схеме (рис. 7).

Рис. 7. Модель объектов железной дороги

Рельсы, шпалы, скрепления являются изделиями (деталями), которые собираются на специализированных предприятиях в технологические комплексы, которые затем укладываются в железнодорожный путь. Такими комплексами могут быть: рельсошпальная решетка, в которой с помощью скреплений соединены два рельса и необходимое число шпал; рельсовая плеть - сваренные воедино несколько рельсов. Элементы стрелочных переводов также изготавливаются на предприятиях как детали и собираются в единый технический объект в месте установки. Искусственные сооружения представляют собой сложные инженерные сооружения, которые строятся по специальным проектам. Модель искусственного сооружения разрабатывается по тем же правилам, что и модель оборудования.

Заключение

Технические системы часто имеют сложную структуру, что требует структурного подхода к их моделированию. Моделирование технических систем должно основываться на типизации технических систем и на анализе структурных свойств как технической системы в целом, так и ее отдельных элементов. Центральным элементом модели технической системы является оборудование как изделие, которое производится на предприятии.

Рецензенты:

Панов А.Ю., д.т.н., заведующий кафедрой «Теоретическая и прикладная механика», ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород;

Федосенко Ю.С., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой Информатика, системы управления и телекоммуникации», ФГБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта», г. Нижний Новгород.

Работа поступила в редакцию 28.07.2014.

Библиографическая ссылка

"......последние слова книги пророка Люстрога гласят: «все истинно верующие да разбивают яйца с того конца, с какого удобнее».
Джонатан Свифт «Путешествия Гулливера»

Введение
Теория Решения Изобретательских Задач (ТРИЗ), разработанная талантливым инженером, изобретателем и гениальным выдумщиком Г.С. Альтшуллером, широко известна и, несомненно, является наиболее эффективным инструментом решения инженерных задач в настоящее время. Опубликовано большое количество материалов на русском и английском языках, в которых суть теории раскрывается достаточно полно для первоначального знакомства с ней. Лучшим русскоязычным ресурсом является сайт Минского центра ОТСМ-ТРИЗ (http://www.trizminsk.org), лучшим англоязычным - Американский ТРИЗ-Журнал (http://www.triz-journal.com). Изучив ТРИЗ по книгам и статьям, можно легко учить других - материал настолько богатый и увлекательный, что интерес к занятиям будет обеспечен.
Однако, для более глубокого понимания ТРИЗ необходимо тщательное осмысление изложенного материала, в первую очередь, понятий и терминов ТРИЗ. Ведь многое в ТРИЗ изложено, как материал для дальнейших размышлений, а не набор информации для простого запоминания.
За время работы для компании САМСУНГ в качестве ТРИЗ-консультанта мне пришлось заново и всерьез переосмыслить все то, что я знал о ТРИЗ раньше. При решении технических задач, обходе патентов конкурирующих компаний и разработке прогноза развития технических систем очень важно было понять глубинное содержание каждого термина ТРИЗ с тем, чтобы применять ее инструменты с максимальной эффективностью.
Одним из основных понятий в ТРИЗ и одним из важнейших звеньев всех без исключения ее инструментов является понятие «Техническая Система». Этот термин вводится в классической ТРИЗ без определения, как производное от понятия «Система». Но при ближайшем рассмотрении становится ясно, что это понятие - «Техническая Система» - требует дальнейшей конкретизации. В пользу такого утверждения говорит, например, семантический аспект. Понятие «Техническая Система» переводится с русского языка на английский двумя способами: «Technical System» и «Engineering System». Используя любую поисковую систему в Интернете, легко убедиться, что эти понятия в понимании специалистов, проявляющих активность в ТРИЗ, практически равноценны. Или взять, к примеру, глоссарий Виктора Фея (http://www.triz-journal.com/archives/2001/03/a/index.htm), в котором просто нет разъяснения ни того, ни другого понятия.
В настоящей статье я попытался описать мое осмысление термина «Техническая Система», постепенно сложившееся после того, как для решения конкретной задачи мне понадобилось узнать полный состав минимально работоспособной технической системы.

Попытка анализа понятия «Техническая Система»
Для начала рассмотрим, что же такое система вообще.
Имеется много разных определений системы. Самое залихватское, абстрактное, потому абсолютно исчерпывающее, но малопригодное для практических целей определение дал В. Гейнс : «Система - это то, что мы определим как систему» . На практике чаще всего пользуются определением системы А.Богданова : «Система - это множество взаимосвязанных элементов, обладающих общим (системным) свойством, не сводящимся к свойствам этих элементов» .

А что такое «Техническая Система»?
К сожалению, непосредственно понятие «Техническая Система» у Г. Альтшуллера не определено. Из контекста ясно, что это некоторая система, имеющая отношение к технике, техническим объектам. Косвенным определением Технической Системы (ТС) могут служить сформулированные им три закона, вернее, три условия, которые должны удовлетворяться для ее существования :
1. Закон полноты частей системы.
2. Закон «энергетической проводимости» системы.
3. Закон согласования ритмики частей системы.

Согласно закону полноты частей системы каждая ТС включает в себя, как минимум, четыре части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и систему управления.

То есть, имеется какая-то система, машина, состоящая из технических объектов, подсистем, которая может выполнять требуемую функцию. Она включает рабочий орган, трансмиссию и двигатель. Все, управляющее действием этой машины, помещается в «Систему управления» или малопонятную «Кибернетическую часть» .
Важным здесь является понимание того, что ТС создается для выполнения некоторой функции. Наверное, следует понимать так, что минимально работоспособная ТС может выполнять эту функцию в любой момент, без дополнительного доукомплектования. Подходы к определению Технической Системы представлены в книге «Поиск новых идей» , где приводится определение «Развивающейся Технической Системы». Этого вопроса касается в своих интересных исследованиях В. Королев . Некоторые критические замечания посвящены этому и в материалах Н. Матвиенко . Определение же понятия «Техническая Система» применительно к ТРИЗ приведено в книге Ю.Саламатова :

«Техническая Система - это совокупность упорядоченно взаимодействующих элементов, обладающая свойствами, не сводящимися к свойствам отдельных элементов и предназначенная для выполнения определенных полезных функций» .

Действительно, у человека есть какая-то потребность, для удовлетворения которой надо выполнить некоторую функцию. Значит, нужно каким-то образом организовать систему, эту функцию выполняющую, - Техническую Систему - и удовлетворить потребность.
Что же смущает в приведенном выше определении Технической Системы? Не совсем понятное слово «предназначенная». Наверное, все-таки здесь важнее не чьи-то пожелания, а объективная возможность выполнения требуемой функции.
Например, для чего предназначен металлический цилиндр с осевым отверстием переменного диаметра и резьбой на одном его конце?
Ответить на такой вопрос практически невозможно. Дискуссия сразу переходит в плоскость вопроса «а где это можно было бы применить?».

Но можно ли, пользуясь этим определением, сказать: пока это еще не Техническая Система, а с этого момента - уже Техническая Система? Написано так: «....ТС появляется, как только технический объект приобретает способность выполнять Главную Полезную Функцию без человека». А дальше сказано, что одна из тенденций развития ТС - это удаление человека из ее состава. Значит, на каком-то этапе развития ТС человек является ее частью. Или нет? Непонятно.....

Наверное, мы ни в чем не разберемся, если не найдем ответа на следующий вопрос: человек - это часть Технической Системы или нет?

Опросив знакомых тризовцев, я получил достаточно широкий спектр ответов: от твердого «нет», подкрепленного ссылками на корифеев, до робкого «да, наверное».
Самый же оригинальный из ответов: когда автомобиль движется равномерно и прямолинейно - человек не является частью этой технической системы, но как только автомобиль начинает поворачивать, то человек сразу становится ее нужной и полезной частью.

Что у нас в литературе? У Саламатова приведен пример, из которого вытекает, что человек с мотыгой - не ТС. Тем более, сама мотыга не является Технической Системой. А лук - это ТС.
Но чем отличаются мотыга и лук? В луке есть аккумулятор энергии - тетива и гибкий стержень, в хорошей мотыге тоже при замахе ручка изгибается и при движении вниз увеличивает силу удара. Чуть-чуть изгибается, но нам важен принцип. С луком работают в два движения: сначала взводят, потом отпускают, с мотыгой - тоже. Почему же тогда такая несправедливость?

Давайте попробуем разобраться.

Заостренная деревянная палочка - это Техническая Система? Не похоже. А автоматическая ручка? Наверное, это ТС, и довольно сложная. Ну а принтер? Несомненно, ТС.
А карандаш? Кто его знает.... Вроде так: ни то, ни се. Может, назвать его «простая Техническая Система»? Свинцовая или серебряная палочка для письма? Вопрос.... Уже и не щепка деревянная, все-таки - драгоценный металл, но и до ручки еще далековато.

Современная капиллярная ручка, карандаш, заостренная палочка и пишущий узел принтера, - что у них общего? Некоторая полезная функция, которую они, в принципе, могли бы выполнять: «оставлять след на поверхности».
«Долговязый Тимошка бежит по узенькой дорожке. Его следы - твои труды». Помните? Это карандаш. А также палочка, свинцовое или серебряное стило, ручка, фломастер, принтер, типографский станок. Каков набор! А ряд - логичный...

Правда, тут снова возникает вопрос.
Если все эти объекты могут выполнять одну и ту же функцию, значит это все - Технические Системы. И не надо делить их на сложные и примитивные. Если объекты выполняют одинаковые функции, то у них не только назначение одинаковое, но и уровень иерархии должен быть одинаковым.
Или наоборот - это все никакие не ТС. Ну, какая Техническая Система - заостренная палочка? Где у нее двигатель или трансмиссия? Но тогда выходит, что принтер тоже не ТС.

Давайте подойдем формально.
Всякая Техническая Система должна выполнять какую-то полезную функцию. Может ли заостренная палочка выполнить свою функцию? Нет. А принтер?..
Проделаем простой опыт. Положим ручку на стол. Или, для упрощения, - на бумагу. Давайте просто подождем, когда она начнет выполнять свою главную полезную функцию. Не выполняет. И не будет выполнять, пока человек, оператор, не возьмет ее в руку, не приложит к листу бумаги, и «...стихи свободно потекут».
А принтер? Начнет ли он печатать, пока пользователь не даст команду компьютеру, а тот, в свою очередь, не переадресует ее принтеру? То есть, без нажатия на кнопку, голосовой команды или, в перспективе, мыслительной команды действие не произойдет.

Таким образом, получается следующее. Ручка, мотыга, принтер, велосипед - не ТС. Точнее, не полные ТС. Это просто «системы технических объектов». Без человека, оператора, они не могут работать, т.е. не могут выполнять свою функцию. Конечно, в принципе - могут, а вот в реальности... Точно так же четыре колеса, кузов и капот не могут ничего никуда перевезти... Даже полностью укомплектованный новенький автомобиль, заправленный, с ключами в замке зажигания, - это не Техническая Система, а просто «система технических объектов». Вот сядет на свое место оператор, в просторечии, шофер, возьмется за баранку, и сразу же автомобиль станет Технической Системой. И все другие технические объекты и системы становятся полными ТС и работают только и исключительно вместе с человеком, оператором.
Оператор может сидеть внутри «системы технических объектов». Может стоять возле нее, подальше или поближе. Может вообще запрограммировать действие Технической Системы, включить ее и уйти. Но в любом случае - оператор должен участвовать в управлении ТС.
И не надо противопоставлять космический корабль мотыге. Как первое, так и второе - это большая или меньшая часть некоторой ТС, которую для нормального выполнения главной полезной функции надо дополнить одним или несколькими операторами.
Вспомним закон полноты частей системы, сформулированный Г.С.Альтшуллером. ТС возникает тогда, когда налицо все ее четыре части (Рис.1), причем, каждая из них должна быть минимально работоспособна. Если хотя бы одна часть отсутствует, то это - не Техническая Система. Так же нет ТС, если одна из четырех частей неработоспособна. Получается, что Техническая Система - это то, что должно быть полностью готово к немедленному выполнению своей главной полезной функции без дополнительного доукомплектования. Как корабль, полностью готовый к походу. Все заправлено, заряжено, и весь экипаж на своих местах.
А без человека система управления не то что «минимально работоспособна», а неработоспособна в принципе, поскольку неукомплектована. Не выполняется закон полноты частей системы. И закон сквозного прохода энергии не выполняется. Идет сигнал в систему управления, и - стоп. Нет обратного потока энергии.
И как быть с теми «Техническими Системами», которые благополучно выполняют свою полезную функцию, но совершенно не содержат технических объектов? Например, электрик, меняющий электрическую лампочку....

Похоже, что есть такой особый уровень иерархии, на котором совокупность объектов, элементов превращается в собственно Техническую Систему. Это - уровень автомобиля с водителем, видеокамеры с оператором, ручки с писателем, автоматизированного производственного комплекса с операторами, его запускающими и обслуживающими и т.п. То есть, это уровень, на котором образуется система: совокупность природных и технических объектов, человека-оператора и его действий, выполняющая какую-то, непосредственно полезную для человека, функцию.

Интересно посмотреть, как выстроена иерархия биологических объектов и систем. Молекулы, клетки, элементы, части организмов - это уровень подсистем. «Подсистема» - это отдельная часть организма, например, скелет слона, жало комара или перо синицы. Сумма таких подсистем, даже их полный набор, целиком собранный из них организм, никак не может выполнять полезные функции. Нужно в этот «набор» добавить еще что-то, вдохнуть «искру божью», чтобы получить живой, функционирующий организм.

Живые организмы, особи, могут объединяться в надсистему. «Надсистема» - это более или менее организованная совокупность животных или растений, например, пчелиная семья. Но такого резкого качественного скачка здесь уже не происходит.

По аналогии с биологическими системами можно трактовать понятие «Техническая Система» как особый уровень иерархии, при котором система получает возможность действовать самостоятельно, т.е. уровень живого организма.

Другими словами, «Техническая Система» в технике соответствует уровню живого организма в природе. В патентной заявке это называется «машина в работе». Т.е., «система технических объектов» плюс человек-оператор. Например, карбюратор - это не ТС, а просто - система, совокупность технических объектов. А вот человек (оператор), стучащий карбюратором по ореху - это ТС с полезной функцией: очищать орехи от скорлупы. Так и человек с мотыгой - ТС, а трактор с плугом - нет. Парадокс....

«Человек» - что это такое в применении к Технической Системе? Что тут трудно для понимания?
Наверное, путаница вызывается самой формулировкой вопроса. Психологически сложно поставить на один уровень человека и колодочный тормоз.
Несомненно, что человек, как часть техносферы, имеет самое прямое отношение к любой ТС и может быть по отношению к ней в следующих ролевых ситуациях:

В надсистеме:
1. Пользователем.
2. Разработчиком.
3. Изготовителем технических объектов системы.
4. Лицом, обеспечивающим техническое обслуживание, ремонт и утилизацию технических объектов системы.
В системе:
1. Оператором, главным элементом системы управления.
2. Источником энергии.
3. Двигателем.
4. Трансмиссией.
5. Рабочим органом.
6. Обрабатываемым объектом.
В окружающей среде:
1. Элементом окружающей среды.

Пользователь, несомненно, главное лицо. Именно он оплачивает создание ТС, именно по его воле разработчики и изготовители берутся за дело. Он оплачивает труд оператора, техническое обслуживание, ремонт и утилизацию технических объектов системы.
Вторая группа лиц обеспечивает функционирование ТС при работе, испытывает ее действие на себе.
Третья группа косвенно помогает или препятствует этому процессу, или просто наблюдает за ним и подвергается воздействию побочных эффектов, возникающих при работе.

Человек может выполнять несколько ролей одновременно. Например, водитель собственного автомобиля или человек, пользующийся ингалятором. Или велосипедист. Он - элемент почти всех систем велосипеда, кроме рабочего органа (сидения) и трансмиссии (колес и рамы велосипеда).

Все-таки, получается так, что человек - обязательная часть Технической Системы.
Казалось бы, какая разница. Ведь как дойдет до дела, до решения реальных инженерных задач, то человек быстро уходит за скобки проблемы и работать приходится на уровне подсистем. Да, но только в тех местах, где согласование и проход энергии осуществляются между подсистемами, никак не связанными с оператором. А стоит нам подойти поближе к системе управления, как проблема взаимодействия человека и технических объектов встает в полный рост.
Взять, к примеру, автомобиль. Свой нынешний облик автомобиль приобрел уже к концу 70-х годов, когда были изобретены подушки безопасности и надежная автоматическая коробка передач. Большинство усовершенствований с той поры направлены только на то, чтобы улучшить управление, безопасность, удобство обслуживания и ремонта, - т.е., на взаимодействие человека, главной части ТС, с ее остальными частями.
Грузовик 40- 50-х годов имел рулевое колесо диаметром 80 см. Водитель должен быть очень сильным, чтобы управлять таким автомобилем. А в авиации... Гигантский самолет 30-х годов «Максим Горький». Чтобы выполнить маневр, за штурвал должны были тянуть первый и второй пилот вместе. Иногда они звали на подмогу штурмана и остальной экипаж. Сейчас оператор с помощью усилителей может управлять гораздо более нагруженными механизмами. Казалось бы, проблема решена. Ан нет, опять часто забывают про человека... Дело в том, что усилители не всегда позволяют оператору в полной мере чувствовать поведение управляемого механизма. Иногда это приводит к авариям.

Например, проблема безопасности движения автомобиля или более «монотонного» в управлении локомотива. Здесь очень важно, чтобы оператор всегда находился в бодром, работоспособном состоянии. Проблема эта решается и в надсистеме - устраняются причины засыпания за рулем, проводится медицинский контроль, повышается ответственность водителя-оператора. Но все чаще это решается непосредственно в Технической Системе. Прямо в кабине. Если машинист вовремя не выключит сигнальную лампочку, остановится двигатель, и поезд остановится. Или в автомобиле: не поедешь, пока не пристегнешься. Т.е., идет нормальная обратная связь так же, как и между всеми остальными элементами ТС.

Может быть, одна из причин, по которой это направление совершенствования технических систем начало активно развиваться только в последние годы, - это непонимание места человека в их структуре. Вернее, не то, чтобы непонимание, а.... В общем, разработчик попадает в сложную психологическую ситуацию. Человек - разработчик нового - по праву ощущает себя творцом. Он не может до конца прочувствовать того, что такой же человек может быть еще и оператором, двигателем или рабочим органом - частью механизма, машины, Технической Системы. Хорошо еще, если это широко используемая ТС, тесно взаимодействующая с человеком, например, автомобиль. Здесь человек может являться и разработчиком, и оператором, и пользователем одновременно.
Как и с компьютером. Работать с большинством компьютерных программ сложно даже сейчас, когда разработчики поняли простую истину, что с программой будет работать человек-оператор, которому важен результат, а не устройство программы. Это сейчас появились такие понятия, как «дружественный интерфейс». А раньше... Зачем далеко ходить, вспомните «Лексикон».
А другие ТС, стоящие, на первый взгляд, далеко от человека.... Имя им легион. Здесь зачастую и мысль в голову не приходит, что человек - это часть Технической Системы. А ведь при разработке любой из них необходимо анализировать взаимодействие составляющих элементов с учетом возможностей человеческого тела и разума. Иногда это не выполняется.
Мало того, часто не учитываются многие из известных сейчас природных факторов, влияющих на самочувствие человека, четкость его движений и быстроту реакции. А вновь открытые психологические факторы, например, «эффект Кассандры» ?
И встает страшным грибом Чернобыль, падают авиалайнеры и сталкиваются корабли.

А что еще, кроме оператора, нужно для получения готовой к функционированию Технической Системы?

Об этом - во второй части этой статьи.

Литература:
1. Gaines, B.R. «General System research: Quo vadis?» General System Yearboor, 24, 1979.
2. Богданов А. А. Всеобщая организационная наука. Тектология. Кн. 1. - М., 1989. - С. 48.
3. Альтшуллер Г. С. Творчество как точная наука. http://www.trizminsk.org/r/4117.htm#05 .
4. Каменев А. Ф. Технические Системы. Закономерности развития. Ленинград, «Машиностроение», 1985.
5. Г. Альтшуллер, Б.Злотин, А. Зусман. В. Филатов. Поиск новых идей: от озарения к технологии. Кишинев, Картя Молдавеняска, 1989. с. 365.
6. В. Королев. О понятии «система». Энциклопедия ТРИЗ. http://triz.port5.com/data/w24.html .
7. В. Королев. О понятии «система» (2). Энциклопедия ТРИЗ. http://triz.port5.com/data/w108.html .
8. Матвиенко Н. Н. Термины ТРИЗ (проблемный сборник). Владивосток. 1991.
9. Саламатов Ю. П. Система законов развития техники (Основы теории развития Технических систем). INSTITUTE OF INNOVATIVE DESIGN. Красноярск, 1996г. http://www.trizminsk.org/e/21101000.htm .
10. Свиридов В. А. Человеческий фактор. http://www.rusavia.spb.ru/digest/sv/sv.html .
11. Иванов Г. И. Формулы творчества или как научиться изобретать. Москва. «Просвещение». 1994
12. Купер Фенимор. Прерия.

Описание технических систем

Критерии развития технических объектов

Понятие технических объектов, технических систем и технологий

Творческая изобретательская деятельность человека чаще всего проявляется при разработке новых, более совершенных по конструкции и наиболее эффективных в эксплуатации технических объектов (ТО) и технологий их изготовления .

В официальной патентной литературе термины «технический объект» и «технология» получили, соответственно, наименования «устройство» и «способ».

Слово «объект» обозначает то, с чем взаимодействует человек (субъект) в своей познавательной или предметно-практической деятельности (компьютер, кофемолка, пила, автомобиль и.др.).

Слово «технический» означает, что речь идет не о каких-либо условных или абстрактных объектах, а именно «технических объектах ».

Технические объекты применяются для:1) воздействия на предметы труда (металл, древесина, нефть и т.д.) при создании материальных ценностей; 2) получения, передачи и преобразования энергии;3) исследования законов развития природы и общества; 4) сбора, хранения, обработки и передачи информации; 5) управления технологическими процессами; 6) создания материалов с заранее заданными свойствами; 7) передвижения и связи; 8) бытового и культурного обслуживания; 9) обеспечения обороноспособности страны и т.д.

Технический объект – широкое понятие. Это космический корабль и утюг, компьютер и ботинок, телевизионная башня и садовая лопата. Существуют элементарные ТО , состоящие всего из одного материального (конструктивного) элемента. Например, литая чугунная гантель, столовая ложка, металлическая шайба.

Наряду с понятием «технический объект» широко используется термин «техническая система».

Техническая система (ТС) – это определенная совокупность упорядоченно связанных между собой элементов, предназначенных для удовлетворения определенных потребностей, для выполнения определенных полезных функций.

Любая техническая система состоит их ряда конструктивных элементов (звеньев, блоков, узлов, агрегатов), называемых подсистемами, число которых может быть равно N. В то же время у большинства технических систем существуют и надсистемы – технические объекты более высокого конструктивного уровня, в которые они включены как функциональные элементы. В надсистему могут входить от двух до М технических систем (рис. 2.1.).

Технические объекты (системы) выполняют определенные функции (операции) по преобразованию вещества (объектов живой и неживой природы), энергии или информационных сигналов. Под технологией понимается способ, метод или программа преобразования вещества, энергии или информационных сигналов из заданного начального состояния в заданное конечное состояние с помощью соответствующих технических систем.

Любой ТО находится в определенном взаимодействии с окружающей средой. Взаимодействие ТО с окружающей живой и неживой средой может происходить по разным каналам связи, которые целесообразно разделить на две группы (рис. 2.2.).

Первая группа включает потоки вещества, энергии и информационных сигналов, передаваемых от окружающей среды к ТО, вторая группа – потоки, передаваемые от ТО в окружающую среду.

А т – функционально обусловленные (или управляющие) входные воздействия, входные потоки в реализуемые физические операции;

А в – вынужденные (или возмущающие) входные воздействия: температура, влажность, пыль и т.д.;

С т – функционально обусловленные (или регулируемые, контролируемые) выходные воздействия, выходные потоки реализованных в объекте физический операций;

С в – вынужденные (возмущающие) выходные воздействия в виде электромагнитных полей, загрязнения воды, атмосферы и т.д.

Критерии развития ТО являются важнейшими критериями (показателями) качества и поэтому используются при оценке качества ТО.

Особенно велика роль критериев развития при разработке новых изделий, когда конструкторы и изобретатели в своих исканиях стремятся превзойти уровень лучших мировых достижений, или когда предприятия хотят приобрести готовые изделия такого уровня. Для решения таких задач критерии развития играют роль компаса, указывающего направление прогрессивного развития изделий и технологий.

Любой ТО имеет не один, а несколько критериев развития, поэтому при разработке ТО каждого нового поколения стремятся максимально улучшить одни критерии и при этом не ухудшить другие.

Всю совокупность критериев развития ТО обычно разделяют на четыре класса (рис. 3.3.):

· функциональные, характеризующие показатели реализации функции объекта;

· технологические , отражающие возможность и сложность изготовления ТО;

· экономические , определяющие экономическую целесообразность реализации функции с помощью рассматриваемого ТО;

· антропологические , связанные с оценкой воздействия на человека отрицательных и положительных факторов со стороны созданного им ТО.

Единичный критерий не может полностью характеризовать ни эффективность разрабатываемого ТО, ни эффективность процесса его создания. Исходя из этого, приступая к созданию нового ТО, разработчики формируют набор критериев (показателей качества) и к техническому объекту и к процессу его создания. Процедуру отбора критериев и признания степени важности называют стратегией выбора.

Вместе с тем, набор критериев регламентируется ГОСТом. Показатели качества разделены на 10 групп:

1. назначения;

2. надежности;

3. экономического использования материалов и энергии;

4. эргономические и эстетические показатели;

5. показатели технологичности;

6. показатели стандартизации;

7. показатели унификации;

8. показатели безопасности;

9. патентно-правовые показатели;

10. экономические показатели.

Каждый технический объект (система) может быть представлен описаниями, имеющими иерархическую соподчиненность.

Потребность (функция ).

Под потребностью понимается желание человека получить определенный результат в процессе преобразования, транспортировки или хранении вещества, энергии, информации. Описания потребностей Р должны содержать в себе информацию:

D – о действии, которое приводит к удовлетворению интересующей потребности;

G – об объекте или предмете технологической обработки, на которое направлено действие D;

Н – о наличии условий или ограничений, при которых реализуется это действие.

1. Развертывающиеся . С течением времени при увеличении ГПФ растет количество элементов.
2. Свертывающиеся . С течением времени при росте или неизменном значении ГПФ количество элементов уменьшается.
3. Редуцирующие . В какой-то момент времени начинается уменьшение количества элементов при одновременном уменьшении ГПФ.
4. Деградирующие . Уменьшение ГПФ при уменьшении связей, мощности, эффективности.

1. Техника развивается по определённым законам.
2. Для решения изобретательских задач необходимо выявить и разрешить противоречия.
3. Изобретательские проблемы можно классифицировать и решить соответствующим методом.

1. Решение творческих и изобретательских задач любой сложности и направленности без перебора вариантов.
2. Прогнозирование развития технических систем (ТС) и получение перспективных решений (в том числе и принципиально новых).
3. Развитие качеств творческой личности.

1. Решение научных и исследовательских задач.
2. Выявление проблем, трудностей и задач при работе с техническими системами и при их развитии.
3. Выявление причин брака и аварийных ситуаций.
4. Максимально эффективное использование ресурсов природы и техники для решения многих проблем.
5. Объективная оценка решений.
6. Систематизирование знаний любых областей деятельности, позволяющее значительно эффективнее использовать эти знания и на принципиально новой основе развивать конкретные науки.
7. Развитие творческого воображения и мышления.
8. Развитие творческих коллективов.

Техническая система -- это целостная совокупность конечного числа взаимосвязанных материальных объектов, имеющая последовательно взаимодействующие сенсорную и исполнительную функциональные части, модель их предопределенного поведения в пространстве равновесных устойчивых состояний и способность, при нахождении хотя бы в одном из них (целевом состоянии), самостоятельно выполнять в штатных условиях предусмотренные её конструкцией потребительские функции

Смысл системного подхода при исследовании процессов развития в технике заключается в рассмотрении любого технического объекта как системы взаимосвязанных элементов, образующих единое целое. Линия развития представляет собой совокупность нескольких узловых точек - технических систем, резко отличающихся друг от друга (если их сравнивать только между собой); между узловыми точками лежит множество промежуточных технических решений - технических систем с небольшими изменениями по сравнению с предшествующим шагом развития. Системы как бы "перетекают" одна в другую, медленно эволюционируя, отодвигаясь все дальше от исходной системы, преображаясь иногда до неузнаваемости. Мелкие изменения накапливаются и становятся причиной крупных качественных преобразований. Чтобы познать эти закономерности, необходимо определить, что такое техническая система, из каких элементов она состоит, как возникают и функционируют связи между частями, каковы последствия от действия внешних и внутренних факторов, и т.д. Несмотря на огромное разнообразие, технические системы обладают рядом общих свойств, признаков и структурных особенностей, что позволяет считать их единой группой объектов.

Каковы основные признаки технических систем? К ним можно отнести следующие:

системы состоят из частей, элементов, то есть имеют структуру,

системы созданы для каких-то целей, то есть выполняют полезные функции;

элементы (части) системы имеют связи друг с другом, соединены определенным образом, организованы в пространстве и времени;

каждая система в целом обладает каким-то особым качеством, неравным простой сумме свойств составляющих ее элементов, иначе пропадает смысл в создании системы (цельной, функционирующей, организованной).

Поясним это простым примером. Допустим, необходимо составить фоторобот преступника. Перед свидетелем поставлена четкая цель: составить систему (фотопортрет) из отдельных частей (элементов), система предназначается для выполнения весьма полезной функции. Естественно, что части будущей системы не соединяются как попало, они должны дополнять друг друга. Поэтому идет длительный процесс подбора элементов таким образом, чтобы каждый элемент, входящий в систему, дополнял предыдущий, а вместе они увеличивали бы полезную функцию системы, то есть усиливали бы похожесть портрета на оригинал. И вдруг, в какой-то момент, происходит чудо - качественный скачок! - совпадение фоторобота с обликом преступника. Здесь элементы организованы в пространстве строго определенным образом (невозможно переставить их), взаимосвязаны, вместе дают новое качество. Даже если свидетель абсолютно точно идентифицирует по отдельности глаза, нос и т.д. с фотомоделями, то эта сумма "кусочков лица" (каждый из которых правильный!) ничего не дает - это будет простая сумма свойств элементов. Только функционально точно соединенные элементы дают главное качество системы (и оправдывают ее существование). Точно так же набор букв (например, А, Л, К, Е), соединившись только определенным образом дает новое качество (например, ЕЛКА).

ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА - это совокупность упорядоченно взаимодействующих элементов, обладающая свойствами, не сводящимися к свойствам отдельных элементов, и предназначенная для выполнения определенных полезных функций.

Таким образом, техническая система имеет 4 главных (фундаментальных) признака:

функциональность,

целостность (структура),

организация,

системное качество.

Отсутствие хотя бы одного признака не позволяет считать объект технической системой.

Функционирование это изменение свойств, характеристик и качеств системы в пространстве и времени.

Функция - это способность ТС проявлять свое свойство (качество, полезность) при определенных условиях и преобразовывать предмет труда (изделие) в требуемую форму или величину.

Совокупность (целостность) элементов и свойств неотъемлемый признак системы. Соединение элементов в единое целое нужно для получения (образования, синтеза) полезной функции, т.е. для достижения поставленной цели.

Если определение функции (цели) системы в какой-то мере зависит от человека, то структура - наиболее объективный признак системы, она зависит только от вида и материального состава используемых в ТС элементов, а также от общих законов мира, диктующих определенные способы соединения, виды связи и режимы функционирования элементов в структуре. В этом смысле структура это способ взаимного соединения элементов в системе. Составление структуры - это программирование системы, задание поведения ТС с целью получения в результате полезной функции. Требуемая функция и выбранный физический принцип ее осуществления однозначно задают структуру.

Структура - это совокупность элементов и связей между ними, которые определяются физическим принципом осуществления требуемой полезной функции.

"Формула" системы:

Иерархический принцип организации структуры возможен только в многоуровневых системах (это большой класс современных технических систем) и заключается в упорядочении взаимодействий между уровнями в порядке от высшего к нижнему. Каждый уровень выступает как управляющий по отношению ко всем нижележащим и как управляемый, подчиненный, по отношению к вышележащему. Каждый уровень специализируется также на выполнении определенной функции (ГПФ уровня). Абсолютно жестких иерархий не бывает, часть систем нижних уровней обладает меньшей или большей автономией по отношению к вышележащим уровням. В пределах уровня отношения элементов равны между собой, взаимно дополняют друг друга, им присущи черты самоорганизации (закладываются при формировании структуры).

"Под идеальной системой понимается такая система, затраты на получение полезного эффекта в которой равны нулю. При этом под затратами понимается самый широкий круг понятий - энергия, материалы, занимаемое пространство... Понятие идеальной технической системы было выдвинуто Г.С. Альтшуллером. Образ идеальной системы позволяет сконцентрировать внимание разработчика только на ожидаемом полезном эффекте, лучше осознать, что требуется потребителю. Оценим, насколько эффективным может быть использование такого подхода к определению цели в практической деятельности.

Функциональный состав и свойства объектов таксона «технические системы». техническая система изобретательский творческий инженерный

В каждой ТС существует функциональная часть -- объект управления (ОУ). Функции ОУ в ТС заключаются в восприятии управляющих воздействий (УВ) и в изменении в соответствии с ними своего состояния. ОУ в ТС не выполняет функций принятия решений, то есть не формирует и не выбирает альтернативы своего поведения, а только реагирует на внешние (управляющие и возмущающие) воздействия, изменяя свои состояния предопределенным его конструкцией образом.

В объекте управления всегда могут быть выделены две функциональные части -- сенсорная и исполнительная.

Сенсорная часть образована совокупностью технических устройств, непосредственной причиной изменения состояний каждого из которых является соответствующие ему и предназначенные для этого управляющие воздействия. Примеры сенсорных устройств: выключатели, переключатели, задвижки, заслонки, датчики и другие подобные им по функциональному назначению устройства управления техническими системами.

Исполнительная часть образована совокупностью материальных объектов, все или отдельные комбинации состояний которых рассматриваются в качестве целевых состояний технической системы, в которых она способна самостоятельно выполнять предусмотренные её конструкцией потребительские функции. Непосредственной причиной изменения состояний исполнительной части ТС (ОУ в ТС) являются изменения состояний её сенсорной части.

Классификационные признаки объектов таксона «технические системы»:

представляют собой целостную совокупность конечного множества со взаимодействующих материальных объектов

имеют условия штатной эксплуатации, предусмотренные их конструкцией

имеют модели управляемого предопределенного причинно-следственного поведения в пространстве достижимых равновесных устойчивых состояний

имеют целевые состояния, соответствующие состояниям исполнительной части объекта управления в ТС

имеют способность, находясь в целевых состояниях, самостоятельно выполнять потребительские функции