Глава 3. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

В предыдущей главе, решая проблему Робинзона, мы использовали некоторые понятия: функция, система, идеальный объект. Определим теперь эти понятия и их значимость для поиска решения проблем.

Но прежде немного истории. Проблемы интенсификации интеллектуального труда, в частности творческого, — генерирования новых идей с целью создания новых технологий — особенно острыми стали в начале ХХ в. Тогда были предприняты попытки изучить процессы мышления наиболее талантливых ученых и изобретателей, чтобы выявить закономерности в этих процессах и на их базе сформировать систему обучения творческим способностям. Результаты этих исследований и практические наблюдения за технологией генерирования идей и особенностями мышления личности привели к созданию целого ряда широко известных методов, применяемых в техническом творчестве. Эти методы можно условно разделить на две группы:

1. Методы психологической активизации творческих процессов (мозговой штурм, синектика, конференция идей, метод фокальных объектов и др.).

2. Методы систематизации перебора вариантов (практически все методы этой группы используют в качестве основы принцип морфологического анализа).

В конце 1940-х гг. изучением процесса генерирования идей начал заниматься Г.С. Альтшуллер (15.10.1926 — 24.09.1998). После недолгих и бесплодных попыток выявить технологию мышления изобретателей Альтшуллер обратился к продукту изобретательской деятельности — авторским свидетельствам и патентам. Изучение в патентном фонде (в этой библиотеке собраны и систематизированы описания всех изобретений мира) истории развития объектов, созданных человеком для удовлетворения своих потребностей, и причин их изменения позволило сделать ему неожиданные и основополагающие для всей методологии творчества выводы, которые стали базой для создания ТРИЗ — теории решения изобретательских задач. Проведем аналогичное исследование (в ТРИЗ его называют генетическим анализом) и на примере развития и изменения одной системы попробуем выявить некоторые общие закономерности развития систем.

Но предварительно введем несколько определений. Взглянем на объекты и явления вокруг себя. По способу возникновения, существования и изменения их можно разделить на две группы: природные, или естественные, и искусственные. К первым относятся горы, реки, облака, дождь, снег, растительный и животный мир и многие другие объекты и явления, созданные природой без участия человека.

К искусственным относят объекты и явления, созданные трудом человека. Внимательный взгляд на них показывает, что нет «объектов-бездельников»: нож, повозка, книга, станок, телефон, кинофильм — каждый из этих объектов создавался, когда у человечества возникала очередная острая потребность. Поэтому введем понятие «основная функция» (ОФ) как действие, для осуществления которого создан данный искусственный объект.

В качестве объекта для проведения генетического анализа системы рассмотрим источник местного освещения. Потребность в таком источнике возникла, чтобы продлить световой день и иметь возможность работать в темное время суток или в темной пещере.

Функцию первого источника местного освещения выполнял костер. Источником интересующей нас световой энергии служило дерево, получалась эта энергия в процессе химической реакции в форме горения. Регулирование количества света производилось изменением количества дров и их концентрацией в очаге горения.

Итак, чтобы осветить нужное место, можно разжечь костер. Но по мере развития человеческого общества и роста его потребностей недостатки такого источника освещения становились все более очевидными: прежде всего, костер потреблял много дров и освещал очень небольшое пространство.

Возникает проблема: если нужно осветить какое-то место, то можно использовать свет костра, но его в этом месте нет. Костер придется здесь разжечь специально, так как переносить его практически невозможно. А если нужно осмотреть большую пещеру? Или поискать что-то в темном лесу? Разжигать в каждом месте костер ради одного взгляда — смысла не имеет. Источник света должен быть подвижным. Отсюда противоречие: костер нужно переносить, чтобы осветить нужное место, но его нельзя переносить, потому что нельзя взять в руки.

Взять и перенести можно часть костра — одну горящую ветку. Но одна ветка без компании плохо горит и быстро гаснет. Новая проблема: если использовать в качестве источника света одну ветку, то ее можно переносить, но она быстро гаснет. И появилось новое противоречие: одна ветка должна гореть, чтобы ее можно было переносить, но одна ветка гореть не может.

Впрочем, может, если она тонкая и сухая — лучинка. Но лучинка, хотя дает много яркого света, быстро сгорает. Чтобы лучина долго горела, она должна быть длинной. Но тогда по мере сгорания лучины огонь будет перемещаться, например, сверху вниз, а огонь нужен на одном месте, например, над столом. Для этого придется все время лучину поднимать... Складывается интересная ситуация: как только мы пытаемся улучшить что-то одно — тут же ухудшается другое. Опять проблемы и противоречия...

А почему, собственно, должно гореть именно дерево? Гореть может что-то другое: например, жир, который надо как-то удержать на одном конце ветки. А второй конец ветки можно взять в руку и переносить огонь таким образом с места на место.

По сравнению с костром факел — более сложное устройство; он состоит минимум из трех частей: жира, который является источником световой энергии; какой-то «держалки», например, хлопчатобумажной тряпки, которая пропитана жиром и потому его удерживает, и самой палки-рукоятки. Очевидно, что без любой из этих частей факела не будет. Поэтому введем понятие «система» как объединение разнородных элементов, предназначенное для выполнения основной функции и создающее своим объединением новое свойство, которым не обладает ни один из составляющих систему элементов. Элементы, из которых состоит система, будем называть частями системы, или «подсистемами».

Но сам факел можно рассматривать как элемент значительно большей системы «Устройство для освещения» — надсистемы, куда, кроме факела, войдет пока только костер (других мы еще не знаем).

Возникает некоторая иерархия систем, в которой каждый элемент можно рассматривать, с одной стороны, как систему, состоящую из отдельных элементов, а с другой — как элемент, входящий в иную систему. Например, элементы факела — жир, деревянная палка и хлопчатобумажная тряпка — являются частями систем «Животный мир» и «Растительный мир».

Отметим также, что линия «костер — ветка — лучина» исчерпала свои возможности: в факеле изменился принцип действия системы — закон природы, с помощью которого реализуется основная функция. В факеле в качестве источника световой энергии вместо дерева горят жир или нефть, которые дают значительно большее количество света на единицу веса (рис. 3.1).

Рабочая часть факела усовершенствовалась, а ветка-палка стала ручкой и выполняет уже не основную, а вспомогательную функцию. В результате факел как источник местного освещения, хотя и стал сложнее, выполняет с точки зрения пользователя свою основную функцию значительно лучше — идеальнее, чем костер. Происходит это в результате специализации элементов: жир, тряпка, палка — каждый из них подобран по принципу наилучшего выполнения своей функции.

Продолжим генетический анализ. Факел как источник местного освещения может гореть на одном месте, например там, где работает ремесленник. Поэтому желательно не держать факел, а освободить руку для работы. В такой ситуации фактически нужен не весь факел, а только его верхняя часть — светильник. Новая проблема: если факел горит на одном месте, то его можно не держать в руке, но тогда нужно как-то закрепить. И новое противоречие: светильник нужно держать, чтобы он горел в определенном месте, и не нужно держать, чтобы не занимать руку. Длинная ручка оказывается лишней, ее можно заменить подставкой, чтобы ставить светильник на стол, или каким-нибудь крючком, чтобы крепить светильник на стенку. Система опять изменяется, чтобы лучше для пользователя выполнять свою функцию. Можно изменить и способ удержания жира и продлить время горения светильника: тряпку положить в какой-то сосуд.

В первом случае изменился принцип действия системы — вместо дерева горит жир, т.е. изменился основной элемент — источник энергии. В последующих изменениях усовершенствовались другие элементы системы — вспомогательные, а принцип действия остался тем же (рис. 3.2). Поэтому дополним схему.

Столь детальный и многоплановый анализ всего двух этапов развития системы позволяет сделать ряд важных выводов и, опираясь на них, в дальнейшем вести анализ более сжато.

Прежде всего отметим, что система изменилась не сама по себе, а потому, что пользователь системы — человек — предъявил к ней новые функциональные требования, которые система в своем существующем варианте выполнить не могла. Возникла проблема, в основе которой лежало противоречие. И только преодоление противоречия приводило к изменению системы.

Отчетливо видно и направление изменения системы — в сторону повышения уровня ее идеальности с точки зрения пользователя, потребителя функции системы. Действительно, совершенствовать жировой светильник «обратно» к костру вряд ли кто-то будет. Следовательно, существуют какие-то объективные законы развития систем, по которым реализуются субъективные требования потребителя системы. (В дальнейшем будет показано, что, если субъективные требования расходятся с объективными законами, развитие системы заходит в тупик.)

Таковы были первые выводы, сделанные Г.С. Альтшуллером в конце 1940-х гг. в результате анализа патентного фонда. Они стали основанием для формулирования постулата ТРИЗ: существуют объективные законы развития технических систем, эти законы познаваемы и могут быть использованы для сознательного развития систем.

Затем был сформулирован первый закон развития технических систем: развитие технических систем происходит в направлении повышения уровня их идеальности.

И следствие из первого закона: идеальна та система, которой нет, а функция которой выполняется.

Постулат ТРИЗ, первый закон развития технических систем и следствие из него позволили создать первый «инструмент» для решения изобретательских задач — ориентироваться при решении на идеальный конечный результат (ИКР). Мы уже использовали этот инструмент, когда ввели идеальный — отсутствующий! — кран для подъема лодки Робинзона: крана не было, а функция крана выполнялась.

В последующих главах, анализируя ход решения задач и делая на основе этих анализов выводы, мы еще вернемся к законам развития технических систем. А сейчас четко определим, ПОЧЕМУ появляются искусственные системы и ПО КАКОЙ ПРИЧИНЕ они изменяются.

Причины появления и изменения систем можно определить так: в процессе жизнедеятельности и по мере развития у человека возникает новая потребность. Чтобы ее удовлетворить, нужно создать искусственную систему, которая будет выполнять определенную функцию и таким образом удовлетворять эту потребность. Чтобы создать искусственную систему, в нее нужно заложить принцип действия — использовать законы природы, которые позволят этой системе выполнять свою основную функцию. Таким образом, возникает конструкция, действие которой удовлетворяет потребность. Но со временем потребности человека растут и он начинает предъявлять к существующей конструкции новые, повышенные требования, которые она удовлетворить не может. Возникает противоречие между требованиями человека и возможностями конструкции. Чтобы разрешить это противоречие, нужно изменить либо элементы системы, либо сам принцип действия. Система становится более совершенной — она лучше удовлетворяет потребности человека, пользователя этой системы.

Но со временем человек начинает предъявлять уже улучшенной системе новые требования — и вновь возникают противоречия между его требованиями и возможностями системы. Цепочка повторяется…

А теперь продолжим генетический анализ системы местного освещения в более быстром темпе, но будем иметь в виду, что сделанные выше выводы о причинах изменения систем действуют на каждом этапе этих изменений.

Причиной дальнейшего совершенствования светильника стало благоустройство жилища, оно привело к созданию свечи — короткой «лучины», которая долго горит. По сравнению со светильником свеча явно идеальнее — в холодном состоянии воск (в дальнейшем — парафин или стеарин) имеют твердую структуру, поэтому не растекаются и не требуют корпуса, легче хранятся, безопаснее в быту и т.д. Но воск — вещество дорогое, поэтому в домах попроще еще долго горела лампада — кусочек фитиля, плавающий в растопленном жире.

А что, если вместо жира налить в плошку керосин? Керосин, точнее, его пары, прекрасно горят и дают яркий свет — это как раз то, что нужно! Плохо то, что пламя сразу распространяется по всей поверхности плошки и керосин быстро выгорает. Поэтому надо разделить две зоны — место горения и место хранения. А как подавать керосин из второй зоны в первую? Опыт уже есть: тряпка на факеле, пропитанная жиром, обгорает снаружи, постепенно «вытягивая» жир изнутри. Сделаем фитиль из тряпки и опустим его в керосин. Но пламя сбегает по фитилю вниз к плошке. Надо его остановить чем-то негорючим. Как в свече. Так появляется металлическая трубка, внутри которой проходит фитиль. Его нижний конец плавает в керосине, а верхний горит.

Стало лучше, и тут же появилось новое требование: открытая плошка с керосином опасна. Значит, вместо плошки используем закрытый бачок. Но керосин нужно периодически подливать — сделаем из трубки съемную крышку-головку, например, на резьбе. Теперь поставим регулятор и усовершенствуем подачу фитиля: во-первых, он постепенно сгорает, и его надо вытягивать из трубки. Кроме того, от размера вытянутого конца фитиля зависит яркость пламени. Чтобы обезопасить себя от открытого пламени и заодно избавиться от копоти, поставим стекло. Но зачем освещать потолок? Оденем на стекло отражатель — рефлектор — и направим поток света на стол (рис. 3.3).

Дальше можно совершенствовать ряд мелких деталей, но в принципе возможности керосиновой лампы на этом оказались исчерпанными. Ее идеальность по отношению к предыдущим источникам света значительно выше, что проявляется в следующем:

возможность получить гораздо более яркий и чистый источник света — по спектру и без копоти;

возможность простого регулирования количества света;

бóльшая безопасность — открытое пламя прикрыто стеклом, а источник энергии — керосин — плотно закрыт.

Какую же цену заплатило человечество за повышение этого уровня идеальности?

Чтобы получить керосин, нужно разведать залежи нефти, а для этого должна существовать такая наука, как геология. Чтобы извлечь нефть из недр земли, нужно пробурить скважины — для этого пришлось создать нефтедобывающую отрасль промышленности. Чтобы переработать ее на заводе — нефтехимическую. Но выполнить все эти работы можно только при наличии развитой металлургической и металлообрабатывающей отраслей. Эти же отрасли нужны, чтобы изготовить саму лампу — прокатать тонкий металлический лист, разрезать на куски, соединить в герметичный корпус, изготовить остальные детали... Чтобы получить дешевое, тонкое и прочное стекло, необходимы опять-таки химическая и стеклообрабатывающая отрасли со своими специальными машинами. А изготовление машин требует развитой энергетики, транспорта, приборов для измерения и контроля... Все эти отрасли — надсистемы для различных частей керосиновой лампы. Так образуется сложнейшая иерархическая сеть горизонтальных и вертикальных взаимосвязей между различными отраслями производства, учет и анализ которых составляет сущность системного подхода.

Таким образом, из закона повышения уровня идеальности систем вытекает еще одно следствие: повышение этого уровня происходит за счет усложнения надсистемы. Иными словами, упрощая свою жизнь с целью получения максимального количества свободного времени и удовлетворения все возрастающих материальных и духовных потребностей, человечество все больше и больше усложняет производство. Это и есть научно-технический прогресс. Или, если учесть его темпы и последствия, научно-техническая революция...

А как же керосиновая лампа? Некоторое время с керосиновой лампой пыталось конкурировать газовое освещение, но из-за сложности и повышенной опасности не нашло широкого распространения. А затем ее свет померк рядом со свечой Яблочкова (1876), а еще через несколько лет — с лампами накаливания Лодыгина и Эдисона.

Электрическая лампочка, при ее высочайшей идеальности по сравнению с керосиновой лампой, не говоря уже о лампаде и факеле, тоже довольно скоро стала объектом критики. Прежде всего вычислили, что ее коэффициент полезного действия составляет всего несколько процентов, а вся остальная энергия расходуется на нагревание нити накаливания. И второй основной недостаток: спектральный состав излучаемого светового потока сильно отличается от состава спектра естественного солнечного освещения, что вредно отражается на зрении.

Второй недостаток более-менее устранен: добавки некоторых газов внутрь колбы лампы позволяют получить спектр излучения, близкий к солнечному. А вот повысить КПД лампы накаливания практически не удается, так как получить яркий свет можно только от сильно нагретой нити — это принцип действия лампы накаливания.

Опять прервем на некоторое время генетический анализ и рассмотрим лампочку как систему. Основная функция этой системы — создавать световой поток. Эту функцию выполняет нить накаливания — рабочий орган системы. Чтобы рабочий орган смог реализовать свою функцию, необходим источник энергии — электростанция или аккумулятор. Энергия должна поступать к рабочему органу — значит, необходима трансмиссия. И подачей энергии необходимо управлять — нужен орган управления, например, в виде выключателя.

Эти четыре элемента — рабочий орган, источник энергии, трансмиссия и орган управления — определяют минимальный состав любой автономной технической системы. Все эти элементы присутствовали и в костре, и в керосиновой лампе, но в менее явном виде. Так, рабочим органом в лампе было пламя, источником энергии — керосин, трансмиссией — капилляры фитиля, по которым керосин поступал из бачка лампы в зону горения, а органом управления — механизм, перемещающий фитиль вверх или вниз.

Выполняя по существу одну и ту же функцию, керосиновая лампа и лампа накаливания отличаются друг от друга всеми элементами. Корень различия — в принципе действия.

Принцип действия реализует идею потребности, обеспечивая системе возможность функционировать с помощью соответствующего рабочего органа — первичного элемента любой системы. И уже под рабочий орган подбираются остальные элементы системы.

А как найти подходящий принцип действия? Только из знания законов природы. Таким образом, рождение новой системы получается в результате такой цепочки: потребность человека (общества) — возникновение идеи — поиск соответствующих знаний — определение принципа действия системы — выбор рабочего органа — подбор остальных элементов системы. Система будет работоспособной, если минимально работоспособными будут все четыре органа системы. Повышение работоспособности — функциональности — системы происходит за счет совершенствования всех ее органов.

Совершенствование это, кстати, происходит неравномерно: то один, то другой орган вырывается вперед и вынуждает подтягиваться остальные. Но наступает период, когда из резервов всех элементов системы выжато все возможное и дальше совершенствовать нечего и некуда — система исчерпала свои возможности. Такая система или умирает (гусиное перо в качестве пишущего средства, факел), или останавливается в своем развитии (карандаш, лампа накаливания), или ее рабочий орган входит в новую систему (грифель карандаша — в цанговый карандаш).

Если мы продолжим генетический анализ системы местного освещения, прерванный нами на лампе накаливания, то увидим лампу дневного света, работающую на принципе дугового разряда. В этой лампе значительно выше коэффициент полезного действия — до 20%, значительно лучше спектральный состав светового потока. Но появляются свои недостатки: например, мерцание, которое очень вредно для зрения. Чтобы устранить эти недостатки, разрабатываются новые источники света, например энергосберегающие лампы, — наука в своем развитии не может остановиться. Совсем недавно появилось сообщение о «вечной» лампе. Эта лампа заполнена газом и никуда не подключается, но рядом устанавливается специальный высокочастотный генератор. Под действием высокой частоты молекулы газа возбуждаются и излучают свет...

Историю развития системы местного освещения, как и любой другой системы, можно представить в виде схемы, состоящей из длинной цепочки сменяющих друг друга систем с различными принципами действия, подсистемами, надсистемами и связями между ними. Такая схема носит название «Системный оператор», так как позволяет ориентироваться во всей генетике системы, или «Схема многоэкранного мышления» — из-за необходимости при работе с системой быстро представить в своем воображении всю эту структуру (рис. 3.4).

И чем больше «экранчиков» вы сможете увидеть, чем больше связей установить и учесть, тем легче будет вам сделать и принять выявленные в процессе генетического анализа общие законы развития технических систем, а именно:

1. Развитие любой технической системы идет в направлении повышения уровня ее идеальности.

Следствия:

1.1. Техническая система идеальна, если ее нет, а функции системы выполняются.

1.2. Повышение уровня идеальности системы происходит за счет усложнения надсистем.

2. Развитие частей системы идет неравномерно — через возникновение и преодоление противоречий.

3. Исчерпав возможности своего развития, техническая система или вырождается, или консервируется на определенном уровне, или ее рабочий орган входит как подсистема в новую систему.

Кроме общих законов, которые составляют, если можно так выразиться, идеологию ТРИЗ, ее основную сущность, есть еще законы синтеза системы и законы развития системы. Эти законы будут подробно рассмотрены в следующих разделах, хотя отдельные их положения уже просматривались в ходе генетического анализа, к которому мы будем еще не раз возвращаться.

При генетическом анализе искусственных объектов их достаточно часто сравнивают с объектами живой природы, каждый из которых тоже достиг очень высокого уровня развития и по-своему совершенен. Принципиальная разница между ними заключается в том, что эволюция объектов живой природы — от простейшей амебы до сложнейших белковых организмов — происходила в естественных условиях их взаимодействия с внешней средой как борьба за выживание. И каждый этап этого совершенствования — это тоже разрешение противоречия, но возникшего, например, в связи с резким изменением температуры или исчезновением вида, который служил традиционной пищей.

Изменение же искусственных объектов происходит только в связи с ростом потребностей самого человека, который свое стремление выделиться среди окружающих, проявить свою индивидуальность может реализовать через систему условных ценностей. Такой системой ценностей современное общество чаще всего считает количество и качество принадлежащих данному человеку вещей. Отсюда — безудержная погоня за все новыми и новыми вещами, чтобы как-то выделяться в толпе, отсюда — тот тупик, в котором все яснее начинает ощущать себя современное общество потребления. Ведь общество — это тоже искусственная система, и его развитие подчиняется тем же объективным законам...