Читать книгу Основы ТРИЗ. Теория решения изобретательских задач. Издание 3-е, исправленное и дополненное - Владимир Петров - Страница 34

Выше на притче о слепцах (п. 1.4, пример 1.11) мы показали одну из составляющих традиционного мышления – отсутствие системного мышления.

Часто, решая задачи или исследуя какую-то систему, мы похожи на этих слепцов. Мы рассматриваем только маленькую часть задачи или часть системы, а этого часто бывает недостаточно. Мы даже не всегда знаем ее составляющие – подсистемы, а тем более части этих составляющих – подподсистемы. Не видим, куда входит данная система. Все это показывает отсутствие системного подхода.

Ниже приведем основные определения и составные части системного подхода.

3.1.1. Системное мышление

Системное мышление – это мышление, которое использует системный подход и является одним из элементов изобретательского мышления.

Системный подход – рассмотрение объекта как целостного множества элементов в совокупности отношений и связей между ними, то есть рассмотрение объекта как системы.

Системный подход должен использоваться как при анализе, так и при синтезе систем.

При системном анализе рассматривают систему не изолированно, а как совокупность взаимосвязанных элементов, имеющую связь с надсистемой и внешней средой и влияние внешней среды на систему. Цель анализа выявить все составляющие элементы, взаимосвязи и взаимовлияния между ними, приводящие к определенным изменениям. Выявляются все взаимовлияния системы на подсистемы, на надсистему и окружающую систему, и обратное влияние надсистемы и окружающей среды на систему. Прослеживаются все закономерности изменений, функционирования и развития систем.

Системный синтез предусматривает создание сбалансированной системы, как внутри себя, так и с внешней средой.

Системный подход реализует требования общей теории систем, согласно которой каждый объект должен рассматриваться как большая и сложная система и, одновременно, как элемент более общей системы. Теория систем изучает различные виды систем, их функционирование и закономерности развития. Она была разработана Людвигом фон Берталанфи (Ludwig von Bertalanffy) в XX веке. Его предшественником был Александр Александрович Богданов, который разработал «всеобщую организационную науку» тектологию и предвосхитил некоторые положения кибернетики.

Основным объектом рассмотрения в системном подходе, теории систем, системном анализе и синтезе является система.

3.1.2. Система

Система (от латинского«systēma», от греческого «σύστημα» — «составленный», целое, составленное из частей, соединение) – это множество элементов, взаимосвязанных и взаимодействующих между собой, которые образуют единое целое, обладающее свойствами, не присущими составляющим его элементам, взятым в отдельности.

Такое свойство называют системный эффект или эмерджентность.

Эмерджентность (от англ. «Emergent» — возникающий, неожиданно появляющийся) в теории систем — наличие у какой-либо системы особых свойств, не присущих ее подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не связанных особыми системообразующими связями; несводимость свойств системы к сумме свойств ее компонентов; синоним — «системный эффект».

Часто такое свойство так же называют синергетический эффект (от греч. «συνεργός» вместе действующий) — возрастание эффективности деятельности в результате интеграции, слияния отдельных частей в единую систему за счет так называемого системного эффекта.

Пример 3.1. Синергетический эффект

Обмен вещами не приводит к синергетическому эффекту, так как их остается, столько же, что и было. Обмен идеями приводит к синергетическому эффекту, так как в результате у одного человека идей становится больше.

Синерги́я (греч. «Συνεργία» — сотрудничество, содействие, помощь, соучастие, сообщничество; от греч. «Σύν» — вместе, греч. «ἔργον» — дело, труд, работа, (воз) действие) — суммирующий эффект взаимодействия двух или более факторов, характеризующийся тем, что их действие существенно превосходит эффект каждого отдельного компонента в виде их простой суммы.

Целостность – характеристика системы, выражающая автономность и единство системы, противостоящей окружению. Она связана с функционированием системы и присущими ей закономерностями развития. Целостность не абсолютное, а относительное понятие, поскольку система имеет множество связей с окружающими объектами и внешней средой и существует лишь в единстве с ними.

Свойство – сторона (атрибут) системы. Оно определяет различие или общность предмета с другими предметами. Свойство обнаруживается в отношении подсистем в системе, поэтому всякое свойство относительно. Свойства существуют объективно, независимо от человеческого сознания.

Отношение – взаимосвязь, взаимозависимость и соотношение элементов системы. Это мысленное сопоставление различных объектов и их сторон.

Пример 3.2. Предложение (в языке)

Предложение состоит из слов и способа построения предложения – грамматики.

Ни один из этих элементов не обладает свойством выразить мысль. Соединенные в единую систему – предложение, приобрело новое свойство – мысль – системный эффект.

Предложение – целостно. Оно автономно и имеет свои закономерности развития – развитие грамматики.

В предложении показана взаимосвязь отдельных слов, их свойства, обнаруживаемы в их отношении друг к другу.

Антропогенная система (греч. «anthropos» – человек, «genesis» – происхождение, становление развивающегося явления) – система, созданная в результате сознательно направленной человеческой деятельности.

Пример 3.3. Антропогенные системы

Это широкий класс систем, созданных человеком: язык, понятия, мысли, знания, науки, литература и искусство, социальные группы (племена, сообщества, государства и т. д.), сельскохозяйственные системы, искусственно созданные объекты фауны и флоры (генная инженерия, биотехнологии и т. п.), технические системы и т. д.

Основное внимание в книге будет уделено рассмотрению одного класса антропогенных систем – технических систем.

Техническая система (ТС) – это система, создающаяся с конкретной целью для удовлетворения определенной потребности. Она выполняет функцию, осуществляя процесс. ТС имеет определенную структуру. В качестве примеров технических систем можно назвать: самолет, автомобиль, кондиционер, телефон, телевизор, компьютер, Интернет и т. д.

Пример 3.4. Самолет

Самолет состоит из крыльев, фюзеляжа, двигателя, шасси и т. д.

Ни один из этих элементов не обладает свойством летать. Соединенные в единую систему – самолет приобрел новое свойство – летать – системный эффект.

Пример 3.5. Телефон

Телефон состоит из микрофона, наушника, клавиатуры, дисплея, памяти

и т. п.

Ни один из этих элементов не обладает свойством передавать звук на рассеяние. Соединенные в единую систему – телефон приобрел новое свойство – передавать звук на расстояние – системный эффект.

Пример 3.6. Алгоритм

Алгоритм – это определенный порядок выполнения различных операций, приводящий к конкретному результату.

Алгоритм состоит из отдельных операций, выполняемых в определенном порядке.

Каждая из операций и порядок их выполнения в отдельности не приведут к необходимому результату. Соединенные в единую систему – алгоритм приобрел новое свойство – конкретный результат – системный эффект.

3.1.3. Функция

Функция (от лат. «functio» – совершение, исполнение) – процесс воздействия субъекта на объект, имеющий определенный результат.

Кроме того, функцию определяют и как «внешнее проявление свойств какого-либо объекта в данной системе отношений».

В дальнейшем будем использовать первую формулировку функции.

Рис. 3.1. Функция

Результат действия может быть изменение параметра объекта или сохранение его.

Функция записывается в виде глагола.

Пример 3.7. Самолет

Самолет перевозит (перемещает) пассажиров. Самолет – субъект, перевозит – функция, пассажиры – объект. Перевозить – это значит изменять объект.

Пример 3.8. Кофе

Чашка удерживает кофе. Чашка – субъект, удерживает – функция, кофе – объект. Удерживать – это значит сохранять объект.

Пример 3.9. Компьютер

Компьютер обрабатывает информацию. Компьютер – субъект, обрабатывает – функция, информация – объект. Обрабатывать – это значит изменять объект (информацию).

Пример 3.10. Компьютерная память

Память запоминает информацию. Память – субъект, запоминает – функция, информация – объект. Запоминать – это значит сохранять объект (информацию).

Функции можно классифицировать по:

1. Полезности,

2. Степени их выполнения:

Опишем классификацию функций по:

1. Полезности:

– полезные;

– бесполезные;

– вредные.

2. Степени выполнения полезных функций:

– достаточные;

– избыточные;

– недостаточные.

Полезная функция – функция, обеспечивающая работоспособность системы.

Бесполезная функция – функция, не создающая работоспособность системы. Иногда такие функции называют лишними.

Вредная функция – функция, создающая нежелательный эффект.

Достаточная функция – функция, создающая необходимое (достаточное) действие.

Избыточная функция – функция, создающая избыточное действие.

Недостаточная функция – функция, создающая недостаточное действие.

Пример 3.11. Холодильник

Функция холодильника – охлаждать продукт, например, мясо.

Бесполезная функция для потребителя – нагрев задней части холодильника, но она необходима для принципа действия холодильника. Потребителю этот нагрев не нужен.

Вредная функция холодильника – шум компрессора.

Достаточная функция холодильника – нормальное охлаждение до заданной температуры.

Избыточная функция холодильника – это избыточное охлаждение (переохлаждение) – ниже требуемой температуры.

Недостаточная функция холодильника – недостаточное охлаждение – выше требуемой температуры.

Пример 3.12. Газовая плита

Функция газовой плиты – греть объект, например, воду или мясо.

Бесполезная функция газовой плиты – нагрев окружающей среды (лишний расход тепла).

Вредная функция газовой плиты – утечка газа.

Достаточная функция газовой плиты – нормальный нагрев объекта до заданной температуры.

Избыточная функция газовой плиты – избыточный нагрев объекта, например, вода выкипела, мясо сгорело.

Недостаточная функция газовой плиты – слабый огонь, например, недостаточный для закипания воды.

Пример 3.13. Компьютер

Функция компьютера – обрабатывать информацию.

Бесполезная функция – затраты энергии, когда на компьютере не работают, а он включен. Компьютер должен работать только тогда, когда вводится, обрабатывается и выводится информация. Во все остальное время компьютер впустую расходует энергию.

Вредные функции компьютера – электромагнитное излучение от компьютера и Wi-Fi, шум от вентилятора.

Достаточная функция компьютера – его нормальная работа.

Недостаточная функция компьютера – когда происходит долгая обработка информации, например, при скачивании информации из Интернета.

Пример 3.14. Телефон

Функция телефона – передавать звуковой сигнал, например, речь.

Бесполезная функция. Если телефон включен, а по нему не говорят – бесполезная функция. Телефон должен работать только тогда, когда передается сигнал. Во все остальное время телефон впустую расходует энергию. В любые перерывы сигнала телефон должен отключаться и включаться с появлением сигнала.

Вредная функция. Электромагнитное излучение, возникающее при разговоре по мобильному телефону, вредно воздействует на окружающую аппаратуру, поэтому в самолетах и в больницах не разрешается разговаривать по мобильному телефону. Антенны ретрансляторов мобильной связи вредно воздействуют на окружающих.

Достаточная функция телефона – когда телефон работает нормально.

Избыточная функция телефона – когда звук передается слишком сильно, и он искажается.

Недостаточная функция телефона – когда сигнал плохо слышен.

Пример 3.15. Автомобиль

Функция автомобиля – перемещать людей.

Бесполезная функция автомобиля – затраты энергии, когда автомобиль стоит, а двигатель работает, например, на светофоре.

Вредные функции автомобиля – выбрасывание в атмосферу выхлопных газов, загрязняя окружающую среду.

Достаточная функция – нормальная работа автомобиля.

Избыточная функция. Автомобиль рассчитан на скорость движения, значительно превышающую допустимую скорость.

Недостаточная функция – это, когда автомобиль не можем выбраться из заноса снега, грязи или преодолеть очень крутой подъем.

В определение функции входило понятие процесс.

3.1.4. Процесс

Процесс (от лат. «processus» – продвижение):

1) последовательная смена состояний стадий развития;

2) совокупность последовательных действий для достижения какого-либо результата (например, производственные потребности – последовательная смена трудовых операций).

Для функционирования технических систем мы в основном будем рассматривать второе определение. Первое определение характерно для развития систем.

Пример 3.16. Приготовление кофе

Операция 1 – измельчение зерен кофе. Операция 2 – молотый кофе засыпается в турку. Операция 3 – турку заливается водой. Операция 4 – турку ставят на огонь или помещают в разогретый песок. Операция 5 – ждут, пока поднимется пенка. Операция 6 – турку снимают с огня. Операция 7 – ожидание пока пенка опустится. Операции 5—7 повторяются несколько раз.

Пример 3.17. Компьютерная программа

Любая компьютерная программа работает по определенному алгоритму – порядку действий. Таким образом, компьютерная программа осуществляет процесс.

Пример 3.18. Алгоритм Евклида

В качестве процесса представим Алгоритм Евклида – метод вычисления наибольшего общего деления (НОД). Это один из древнейших алгоритмов, который используется до сих пор. НОД – это число, которое делит без остатка два числа и делится само без остатка на любой другой делитель данных двух чисел. Проще говоря, это самое большое число, на которое можно без остатка разделить два числа, для которых ищется НОД.

Описание алгоритма нахождения НОД деланием.

1. Большее число делим на меньше число.

2. Если длится без остатка, то меньшее число и есть НОД (следует выйти из цикла).

3. Если есть остаток, то большее число заменяем на остаток от деления.

4. Переходим к пункту 1.

Пример:

Найти НОД для 30 и 18.

30/18 = 1 (остаток 12);

18/12 = 1 (остаток 6);

12/6 = 2 (остаток 0). Конец: НОД – это делитель. НОД (30, 18) = 6.

Пример 3.19. Компилятор

Большинство компиляторов переводит программу с некоторого высокоуровневого языка программирования в машинный код, который может быть непосредственно выполнен процессором.

Процесс компиляции состоит из следующих этапов:

1. Лексический анализ. На этом этапе последовательность символов исходного файла преобразуется в последовательность лексем. Цель лексического анализа – подготовить входную последовательность к грамматическому анализу.

2. Синтаксический (грамматический) анализ. Последовательность лексем преобразуется в дерево разбора.

3. Семантический анализ. Дерево разбора обрабатывается с целью установления его семантики (смысла) – например, привязка идентификаторов к их декларациям, типам, проверка совместимости, определение типов выражений и т. д. Результат обычно называется «промежуточным представлением/кодом», и может быть дополненным деревом разбора, новым деревом, абстрактным набором команд или чем-то ещё, удобным для дальнейшей обработки.

4. Оптимизация. Выполняется удаление излишних конструкций и упрощение кода с сохранением его смысла. Оптимизация, может быть, на разных уровнях и этапах – например, над промежуточным кодом или над конечным машинным кодом.

5. Генерация кода. Из промежуточного представления порождается код на целевом языке. В конкретных реализациях компиляторов эти этапы могут быть разделены или наоборот совмещены в том или ином виде.

Каждый из этих этапов имеет свою программу, работающую по определенному алгоритму – процессу.

Понятия процесс и функция тесно связаны с понятием поток. Он осуществляет процесс и выполняет функцию.

3.1.5. Поток

Поток может быть:

– вещественным (поток вещества);

– полевым (поток поля);

– информационным (поток информации).

К вещественным потокам относятся все виды транспортных систем, потоки сыпучих, жидких и газообразных веществ, в частности использующих, трубопроводы, например, пневматическая почта и т. д.

К полевым потокам можно отнести потоки электричества, например, проходящие по проводам, световые потоки, например, по оптоволоконным кабелям, магнитные потоки, различные излучения и т. д.

Информационные потоки могут распространяться различными путями: через печатные материалы, Интернет, радио и телевидение и т. д. Носителями информации является вещество и / или поле (энергия).

Кроме того, потоки могут быть внутренние и внешние.

Потоки осуществляют взаимодействия и выполняют работу.

Внутренние потоки осуществляют воздействия одного элемента системы на другой или их взаимодействие по организованным связям между ними.

Внешние потоки осуществляют взаимодействие системы с надсистемой, окружающей средой и обратное влияние надсистемы и окружающей среды на систему.

Отсутствие учета таких влияний может не только отрицательно сказаться на работоспособности системы, но и вредно влиять на внешнюю среду.

Пример 3.20. Кондиционер

Кондиционер, с помощью вентилятора, создает поток воздуха (холодного или горячего). Это внешний поток вещества.

Поток фреона – это внутренний поток вещества.

Электричество, подводимое извне, к блоку питания кондиционера – это внешний поток энергии. Потоки энергии от блока питания – это внутренние поток энергии, подводимые к компрессору, вентилятору и блоку управления.

Сигналы, поступающие от датчиков и подающие на компрессор и двигатель вентилятора и другие блоки – это внутренние потоки информации. Инфракрасный сигнал от пульта управления – это внешний поток информации.

Пример 3.21. Компьютер

В компьютер поступает поток внешней информации. Компьютер обрабатывает эту информацию. Это внутренний информационный поток. Компьютер выдает результаты обработанной информации на внешние устройства, например, на монитор – это внешний информационный поток.

Оценку потоков можно проводить по:

1. Полезности.

2. Степени их выполнения.

Опишем оценку потока:

1. По полезности:

– полезный;

– бесполезный;

– вредный.

2. По степени выполнения полезности потока:

– достаточный;

– избыточный;

– недостаточный.

Полезный поток – поток, обеспечивающий работоспособность системы.

Бесполезный поток – поток, не создающий работоспособность системы. Иногда такие потоки называют лишними.

Вредный поток – поток, создающий нежелательный эффект.

Достаточный поток – поток, создающий необходимое (достаточное) действие.

Избыточный поток – поток, создающий избыточное действие.

Недостаточный поток – поток, создающий недостаточное действие.

Пример 3.22. Холодильник

Бесполезный поток для потребителя – поток тепла от испарителя (задней части холодильника).

Вредный поток холодильника – поток (акустический) шума компрессора.

Достаточный поток холодильника – нормальный поток холодного воздуха внутри холодильника.

Избыточный поток холодильника – это избыточный поток холодного воздуха (переохлаждение) – ниже требуемой температуры.

Недостаточный поток холодильника – недостаточный поток холодного воздуха, не позволяющий создать требуемую температуру.

Пример 3.23. Компьютер

Бесполезный поток – поток энергии, когда на компьютере не работают, а он включен. Поток электроэнергии в компьютере должен быть только тогда, когда вводится, обрабатывается и выводится информация. В остальное время компьютер впустую расходует энергию. Кроме того, поток энергии должен подаваться только к тем частям, которые в данный момент работают.

Вредный поток компьютера – поток электромагнитного излучения от компьютера и Wi-Fi, поток шума от вентилятора.

Достаточный поток – поток электроэнергии и информации, необходимый для нормальной работы компьютера.

Недостаточный поток – недостаточный поток электроэнергии и информации, необходимый для нормальной работы компьютера, например, разряженная батарея, когда происходит долгая обработка информации, например, при скачивании информации из Интернета.

Пример 3.24. Автомобиль

Бесполезный поток – поток бензина, когда автомобиль стоит, а двигатель работает, например, на светофоре.

Вредный поток – поток углекислого (выхлопного) газа, выбрасываемого в атмосферу, загрязняя окружающую среду.

Достаточный поток – поток бензина, обеспечивающий нормальную работу автомобиля.

Избыточный поток – поток бензина, избыточно поступающий в двигатель, приводящий к его перерасходу.

Недостаточный поток – поток бензина, не обеспечивающий нормальную работу автомобиля.

Любая система и функция имеют определенную иерархию.

3.1.6. Иерархия

Опишем иерархию системы:

– собственно, система;

– ее подсистемы;

– надсистема;

– внешняя среда.

Подсистема – составные части системы.

Надсистема – это объект, куда входит система в качестве подсистемы.

Иерархия может иметь более высокие ранги, например, наднадсистема и более низкие ранги, например, подподсистема.

Наднадсистема – это объект, куда входит надсистема, а подподсистема – это элементы, из которых состоит подсистема. Количество рангов может быть достаточно большое.

Пример 3.25. Компьютер

Система – персональный компьютер.

Подсистемы: системный блок и устройства ввода – вывода (например, клавиатура, мышь, монитор, принтер, сканер, камера и т. п.).

Подподсистемы системного блока – это процессор, материнская плата, видеокарта, оперативная память, жесткий диск, дисковод, звуковая карта, сетевая карта, блок питания и т. д.

Надсистема – компьютерные сети и т. д.

Наднадсистема – это всемирная паутина, Интернет.

Внешняя среда – это среда, в которой находится компьютер, например, помещение, воздух и т. д.

Пример 3.26. Телефон

Система – телефон.

Подсистемы: микрофон и наушник, клавиатура, дисплей, память и т. п.

Подподсистемы – это элементы, из которых состоят микрофон и наушник, клавиатура, дисплей, память и т. д.

Надсистема – АТС, телефонные сети и т. д.

Наднадсистема АТС – это региональная и мировая телефонная сеть.

Внешняя среда – чаще всего – помещение и воздух.

Пример 3.27. Автомобиль

Система – автомобиль.

Подсистемы: колеса, двигатель, бензобак, система управления и т. п.

Подподсистемы двигателя – это поршень и цилиндр, шатун, свеча, клапаны, коленчатый вал, картер и т. д.

Надсистема – дорожное движение, к которой относятся: дороги, автозаправочные станции, автостоянки, система управления движением, гаражи, ремонтные службы, заводы изготовители и т. д.

Наднадсистема – это региональная и мировая сеть дорожного движения.

Внешняя среда – открытое пространство и атмосферные явления.

Функции также, как и системы, имеют иерархическую структуру. Функция более высокого ранга, как правило, более общая функция. Рассмотрим иерархию функций по степени важности:

– функция высшего (нулевого) ранга – главная функция, ее еще называют главной полезной функцией;

– функция первого ранга – основная функция;

– функция второго ранга – вспомогательная функция.

Можно рассматривать и функции 3-го и ниже рангов.

Иерархия функций показана на графе (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Иерархия функций

Главная функция – это функция высшего (нулевого) ранга, указывающая главное действие – предназначение системы. Она должна выполнять главную цель, обеспечивая главную потребность в системе.

Основные функции – это функции первого ранга, функции основных подсистем.

Основные функции обеспечивают работоспособность главной функции, а, следовательно, и всей системы в целом.

Вспомогательные функции – это функции второго ранга, функции подподсистем. Вспомогательные функции обеспечивают работоспособность основных функций. Функции низших (n) рангов, прежде всего, должны обеспечивать работоспособность функций высших (n-1) рангов.

Функции, обеспечивающие работоспособность, будем называть необходимыми функциями. Функциональная работоспособность системы определяется набором необходимых функций всех рангов, который должен быть необходимым и достаточным, и в то же время обеспечивать функциональную полноту.

Пример 3.28. Компьютер

Главная функция – обработка информации (компьютер обрабатывает информацию).

Основные функции: системного блока – прием, обработка, хранение и вывод цифровых (электрических) сигналов, клавиатуры – ввод цифровой и буквенной информации, монитора – вывод информации на экран и т. д.

Вспомогательная функция части системного блока, блока питания, – обеспечение электрической энергией.

Пример 3.29. Телефон

Главная функция – передача звукового сигнала, например, речи.

Основные функции: микрофона – преобразование звукового сигнала в электрический, наушника – преобразование электрического сигнала в звуковой, клавиатуры – вводить цифровую и буквенную информацию и т. д.

Вспомогательная функция кнопки клавиатуры – ввод конкретного знака.

Пример 3.30. Автомобиль

Главная функция – перевозка (перемещение) людей.

Основные функции: бензобака – хранение (удержание) бензина, двигателя – преобразование бензина в поступательное движение, трансмиссии – преобразование поступательного во вращательное движение и т. д. Вспомогательная функция частей двигателя: поршня и цилиндра – сжатие бензина (создание давления).

Итак, мы рассмотрели основные определения системного подхода: система, функция, иерархия и присущие им понятия: целостность, свойство, отношение, процесс. Кроме того, были введены понятия: антропогенная и техническая системы.