Функции и основные части технической системы

Главное в структуре: элементы, связи, неизменность во времени.

3.2. Элемент структуры.

Элемент, система - относительные понятия, любая система может стать элементом системы более высокого ранга, также и любой элемент можно представить как систему элементов более низкого ранга. Например, болт (винт + гайка) - элемент двигателя, который в свою очередь является структурной единицей (элементом) в системе автомобиля и т.д. Винт состоит из зон (геометрических тел), таких как головка, цилиндр, резьба, фаска; материал болта - сталь (система), состоящая из элементов железа, углерода, легирующих добавок, которые в свою очередь состоят из молекулярных образований (зерен, кристаллов), еще ниже - атомы, элементарные частицы.

Элемент - относительно целая часть системы, обладающая некоторыми свойствами неисчезающими  при отделении от системы. Однако в системе свойства элемента не равны свойствам отдельно взятого элемента.

Сумма свойств  элемента в системе может быть больше или меньше суммы его свойств  вне системы. Иначе говоря, часть свойств элемента, включаемого в систему, гасится или к элементу добавляются новые свойства. В подавляющем большинстве случаев часть свойств элемента нейтрализуется в системе, как бы исчезает; в зависимости от величины этой части говорят о степени потери индивидуальности элемента включенного в систему.  
Система обладает частью свойств элементов ее составляющих, но ни один элемент бывшей системы не обладает свойством всей системы (системным эффектом, качеством). Когда песок перестает быть песком? - на ближайшем верхнем или нижнем "этаже": песок - пыль - молекулы - атомы -...; песок - камень - скала...; здесь "песчаные" свойства частично сохраняются при движении вверх и сразу исчезают при движении вниз по "этажам".

Элемент - минимальная  единица системы, способная к  выполнению некоторой элементарной функции. Все технические системы начинались с одного элемента, предназначенного для выполнения одной элементарной функции. С увеличением ГПФ начинается увеличение (усиление) каких-то свойств элемента. Затем идет дифференциация элемента, то есть разделение элемента на зоны с разными свойствами. Из моноструктуры элемента (камень, палка) начинают выделяться другие элементы. Например, при превращении каменного резца в нож выделились рабочая зона и зона ручки, а затем усиление специфических свойств каждой зоны потребовало применение разных материалов (составные инструменты). Из рабочего органа выделилась и развилась трансмиссия. Затем к РО и Тр добавляются Двигатель, Орган управления, Источник энергии. Система разрастается за счет усложнения своих элементов, добавляются вспомогательные подсистемы... Система становится высокоспециализированной. Но наступает момент развития, когда система начинает принимать на себя функции соседних систем, не увеличивая количество своих элементов. Система становится все более универсальной при неизменном, а затем и сокращающемся количестве элементов.

3.3. Типы структур.

Выделим несколько наиболее характерных для техники структур:

1). Корпускулярная.  
Состоит из одинаковых элементов, слабосвязанных между собой; исчезновение части элементов почти не отражается на функции системы. Примеры: эскадра кораблей, песчаный фильтр.

2). "Кирпичная".  
Состоит из одинаковых жестко связанных между собой элементов. Примеры: стена, арка, мост.

3). Цепная.  
Состоит из однотипных шарнирносвязанных элементов. Примеры: гусеница, поезд.

4). Сетевая.  
Состоит из разнотипных элементов, связанных между собой непосредственно, или транзитом через другие, или через центральный (узловой) элемент (звездная структура). Примеры: телефонная сеть, телевидение, библиотека, система теплоснабжения.

5). Многосвязная.  
Включает множество перекрестных связей в сетевой модели.

6). Иерархическая.  
Состоит из разнородных элементов, каждый из которых является составным элементом системы более высокого ранга и имеет связи по "горизонтали" (с элементами одного уровня) и по "вертикали" (с элементами разных уровней). Примеры: станок, автомобиль, винтовка.

По типу развития во времени  структуры бывают:

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.

3.4. Принципы  построения структуры.

Главный ориентир в процессе синтеза системы - получение  будущего системного свойства (эффекта, качества). Важное место в этом процессе занимает этап подбора (построения) структуры.

"Формула"  системы:

Для одной и той же системы можно подобрать несколько различных структур в зависимости от выбранного физического принципа воплощения ГПФ. Выбор физического принципа должен основываться на минимизации М, Г, Э (массы, габаритов, энергоемкости) при сохранении эффективности.

Формирование структуры - основа синтеза системы.  
Некоторые принципы формирования структуры:

• принцип функциональности,
• принцип причинности,
• принцип полноты частей,
• принцип дополнительности.

Принцип функциональности отражает примат функции над структурой. Структура обуславливается предыдущим выбором:

Выбор принципа действия однозначно определяет структуру, поэтому  их надо рассматривать вместе. Принцип  действия (структура) - это отражение  цели-функции. По выбранному принципу действия следует составить функциональную схему (возможно в вепольной форме).

Функциональная схема  строится по принципу причинности, так как любая ТС подчиняется этому принципу. Функционирование ТС это цепочка действий-событий.

Каждое событие в  ТС имеет одну (или несколько) причин и само является причиной последующих событий. Все начинается с причины, поэтому важный момент - обеспечение "запуска" (включения) причины. Для этого необходимо наличие следующих условий:

• обеспечить внешние условия, не препятствующие проявлению действия,
• обеспечить внутренние условия, при которых осуществляется событие (действие),
• обеспечить извне повод, толчок, "искру" для "запуска" действия.

Главный смысл  в выборе принципа действия - лучшее осуществление принципа причинности.

Надежный способ выстраивания цепочки действий - от конечного события к начальному; конечное событие - это действие, полученное на рабочем органе, то есть осуществление функции ТС.

Главное требование к структуре - минимальные потери энергии и однозначность действия (исключение ошибки), то есть хорошая энергетическая проводимость и надежность причинно-следственной цепочки.

При решении изобретательских задач, после формулировки ФП (физического  противоречия) возникают затруднения  при переходе к физическому принципу. Возможно здесь поможет принцип причинности. ФП - это заказ, конечное действие, от него требуется выстроить цепочку причин-следствий до физэффекта.

Принцип полноты  частей (закон полноты частей системы) может быть взят за основу при первом построении функциональной схемы. Возможна следующая последовательность шагов:

1. Формулируется ГПФ.
2. Определяется физический принцип действия рабочего органа на изделие.
3. Отбирается или синтезируется РО.
4. К рабочему органу "пристраиваются" трансмиссия, двигатель, источник энергии, орган управления.
5. Строится в первом приближении функциональная схема:

6. Выявляются недостатки и возможные сбои в схеме. Разрабатываются более подробные схемы, с учетом иерархии подсистем. Подсистемы недостаточно хорошо выполняющие функции достраиваются новыми элементами.

 
Например:

Это обычный путь развертывания  ТС, увеличение ГПФ за счет добавления новых полезнофункциональных подсистем.

Некоторое увеличение ГПФ  возможно за счет уменьшения вредных  связей и эффектов в подсистемах (без их усложнения).

Наиболее радикальный  путь - идеализация ТС.

Принцип дополнительности заключается в особом способе соединения элементов при включении их в систему. Элементы должны быть не только согласованы по форме и свойствам (для того, чтобы иметь принципиальную возможность взаимного соединения), но и дополнять друг друга, взаимно усиливаться, складывать полезные свойства и взаимно нейтрализовать вредные. Это основной механизм возникновения системного эффекта (качества).

3.5. Форма.

Форма - это внешнее  проявление структуры ТС, а структура - внутреннее содержание формы. Эти два понятия тесно взаимосвязаны. В технической системе может преобладать одно из них и диктовать условия воплощения другой (например, форма крыла самолета обуславливает его структуру). Логика построения структуры в основном определяется внутренними принципами и функциями системы. Форма в большинстве случаев зависит от требований надсистемы.

Основные требования к форме:

• функциональные (форма резьбы и т.п.),
• эргономические (рукоять инструмента, сиденье водителя и т. п.),
• технологические (простота и удобство изготовления, обработки, транспортировки),
• эксплуатационные (срок службы, прочность, стойкость, удобство ремонта),
• эстетические (дизайн, красота, "приятность", "теплота"...).

 

3.6. Иерархическая  структура систем.

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).

Возникновение и развитие иерархических структур не случайно, так как это единственный путь увеличения эффективности, надежности и устойчивости в системах средней и высокой сложности.

В простых системах иерархия не требуется, так как взаимодействие осуществляется по непосредственным связям между элементами. В сложных системах непосредственные взаимодействия между всеми элементами невозможны (требуется слишком много связей), поэтому непосредственные контакты сохраняются лишь между элементами одного уровня, а связи между уровнями резко сокращаются.

Типичный вид иерархической  системы:

В табл. 1 приведены названия иерархических уровней в технике (Альтшуллер Г.С. в кн.: Дерзкие формулы  творчества. Петрозаводск, "Карелия", 1987, с. 17-18).

Таблица 1

Уровень  (ранг ТС)	Название системы	Пример	Аналог в природе
1	Техносфера	Техника + люди + ресурсы + система потребления	Биосфера
2	Техника	Вся техника (все отрасли)	Фауна
3	Отрасль техники	Транспорт (все виды)	Тип
4	Объединение	Аэрофлот, автотранспорт, ж\д транспорт	Класс
5	Предприятие	Завод, метро, аэропорт	Организм
6	Агрегат	Локомотив, вагоны, рельсовый путь	Органы тела: сердце, легкие и т.д.
7	Машина	Локомотив, автомобиль, самолет	Клетка
8	Неоднородный механизм (совокупность узлов, позволяющая осуществлять перевод  энергии и вещества из одного вида в другой)	Электростатический генератор, двигатель  внутреннего сгорания	Молекулы ДНК, РНК, АФТ
9	Однородный механизм (совокупность узлов, позволяющая энергию и  вещества не меняя их вида)	Винтовой домкрат, тележка, парусное оснащение, часы, трансформатор, бинокль	Молекула гемоглобина способная  транспортировать кислород
10	Узел	Ось и два колеса (появляется новое  свойство — способность качения)	Сложные молекулы, полимеры
11	Пара деталей	Винт и гайка, ось и колесо	Молекула, образованная разными радикалами, например: С2Н5-С=О      |      О-Н
12	Неоднородная деталь (при разделении образует неодинаковые части)	Винт, гвоздь	Несимметричная углеродная цепь: -С-С-С-С-С-С-    |    С
13	Однородная деталь (при разделении образует одинаковые части)	Проволока, ось, балка	Углеродная цепь: -С-С-С-С-С-С-
14	Неоднородное вещество	Сталь	Смеси, растворы (морская вода, воздух)
15	Однородное вещество	Химически чистое железо	Простое вещество (кислород, азот)