Читать книгу Основы ТРИЗ. Теория решения изобретательских задач - Владимир Петров - Страница 21

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).

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:

– полезности,

– 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