Законы развития технических систем

Законы развития технических систем (ЗРТС) — это совокупность объективных, повторяющихся и устойчивых связей и тенденций, определяющих направление эволюции искусственно созданных объектов (техники, технологий, машин) от простых форм к более сложным, совершенным и эффективным. Данные закономерности были выявлены и систематизированы в рамках теории решения изобретательских задач (ТРИЗ), разработанной советским инженером и изобретателем Генрихом Сауловичем Альтшуллером в середине XX века. ЗРТС представляют собой инструмент для прогнозирования развития техники, анализа патентного фонда и выявления перспективных направлений модернизации.

История возникновения и развития

Предпосылки к формулированию законов развития техники существовали задолго до появления ТРИЗ. Ещё в XIX веке инженеры и философы техники (например, Эрнст Капп, Фридрих Дессауэр) пытались выявить общие принципы эволюции орудий труда. Однако систематическая работа в этом направлении началась только в 1940–1950-х годах.

Г. С. Альтшуллер, анализируя десятки тысяч патентов и изобретений, заметил, что технические системы не развиваются хаотично, а подчиняются определённым повторяющимся схемам. Первые попытки формулирования законов были предприняты им в 1956 году в статье «О законах развития технических систем», опубликованной в журнале «Вопросы изобретательства». В последующие десятилетия, вплоть до 1980-х годов, Альтшуллер и его последователи (в частности, В. М. Герасимов, Б. Л. Злотин, А. В. Литвин) уточняли и дополняли систему законов.

В 1979 году Альтшуллер опубликовал книгу «Творчество как точная наука», где представил наиболее полную на тот момент классификацию ЗРТС, разделив их на три группы: статика, кинематика и динамика. В дальнейшем, в 1980–1990-х годах, законы были адаптированы для анализа не только технических, но и биологических, социальных и информационных систем.

Классификация законов развития технических систем

В классической ТРИЗ (по Г. С. Альтшуллеру) все законы делятся на три группы в зависимости от стадии жизненного цикла системы.

Законы статики (критерии жизнеспособности системы)

Эта группа описывает условия, необходимые для того, чтобы техническая система могла существовать и функционировать. Если хотя бы одно условие не выполняется, система нежизнеспособна.

• Закон полноты частей системы. Для минимальной работоспособности техническая система должна включать четыре основные части: двигатель, трансмиссию (передаточный механизм), рабочий орган и орган управления. Пример: в автомобиле двигатель (ДВС), трансмиссия (коробка передач, карданный вал), рабочий орган (колёса) и орган управления (руль, педали, блок управления).
• Закон «энергетической проводимости» системы. Чтобы части системы работали согласованно, между ними должна быть обеспечена проводимость энергии (механической, электрической, тепловой и т. д.). Разрыв проводимости ведёт к отказу системы.
• Закон согласования ритмики частей системы. Частота колебаний (периодичность работы) всех частей системы должна быть согласована. Рассогласование ритмов приводит к снижению эффективности или разрушению системы.

Законы кинематики (направления развития)

Эта группа описывает общие тенденции развития технических систем независимо от конкретного механизма их реализации.

• Закон увеличения степени идеальности. Главный закон развития: любая техническая система стремится к увеличению идеальности. Идеальность определяется как отношение суммы полезных функций к сумме затрат (материальных, энергетических, информационных) и вредных факторов. В пределе система стремится к «идеальной машине» — когда её физический объект отсутствует, а функция выполняется. Пример: переход от проводной телефонной связи к беспроводной (исчезли провода, но функция осталась).
• Закон неравномерности развития частей системы. Разные подсистемы одной системы развиваются с разной скоростью. Чем сложнее система, тем сильнее неравномерность. Это приводит к возникновению противоречий — основному источнику изобретательских задач. Например, скорость самолёта росла быстрее, чем прочность материалов, что порождало задачу создания более прочных и лёгких сплавов.
• Закон перехода в надсистему. Исчерпав возможности развития на данном уровне, система объединяется с другими системами, образуя новую, более сложную надсистему. При этом часть функций исходной системы может передаваться надсистеме. Пример: персональный компьютер (система) объединился с монитором, клавиатурой и мышью (другие системы) в единый вычислительный комплекс (надсистема). Другой пример — переход от отдельного станка к автоматической линии.

Законы динамики (конкретные механизмы развития)

Эта группа описывает, как именно происходит развитие системы на уровне её структуры и принципа действия.

• Закон перехода с макроуровня на микроуровень. Развитие идёт путём замены крупных, макроскопических элементов (рычагов, колёс, лопастей) на более мелкие, вплоть до молекулярного и атомного уровня. Рабочие органы начинают использовать поля (электрические, магнитные, тепловые) вместо твёрдых тел. Пример: замена механического регулятора частоты вращения на электронный; использование пьезоэлектрических кристаллов вместо механических пружин.
• Закон увеличения степени вепольности (вещественно-полевых связей). Технические системы развиваются от простых структур (одно вещество и одно поле) к сложным, многослойным, с использованием нескольких полей и веществ. Веполь — это минимальная модель технической системы, состоящая из двух веществ и поля между ними. Развитие идёт по пути усложнения вепольных структур.
• Закон вытеснения человека из технической системы. Сначала человек выполняет функцию рабочего органа (ручной труд). Затем он становится оператором, управляющим машиной. Далее — контролёром, наблюдающим за автоматикой. В идеале человек полностью выводится из системы, а управление передаётся интеллектуальным автоматическим устройствам. Пример: от ручного токарного станка к станку с ЧПУ, затем к автоматизированному цеху без персонала.
• Закон перехода к более гибким структурам. Системы эволюционируют от жёстких, монолитных конструкций к шарнирным, гибким, адаптивным. Пример: переход от монолитного крыла самолёта к крылу с изменяемой стреловидностью; от жёсткого диска к гибкому диску (флоппи-диск), затем к флеш-памяти (без подвижных частей).

Применение законов развития технических систем

ЗРТС находят практическое применение в нескольких ключевых областях:

• Прогнозирование развития техники. На основе анализа текущего состояния системы и применения законов можно предсказать, какие модификации и новые поколения техники появятся в будущем. Это позволяет компаниям своевременно вкладывать ресурсы в перспективные разработки.
• Решение изобретательских задач. ЗРТС помогают выявить противоречие, мешающее развитию системы, и подсказывают направление поиска решения. Например, если система достигла предела по закону перехода в надсистему, следует искать решение не внутри неё, а на уровне объединения с другими системами.
• Анализ патентного фонда. С помощью ЗРТС можно оценить «силу» патента (насколько он соответствует тенденциям развития) и выявить «пустые» ниши, где ещё не сделаны изобретения.
• Разработка новых продуктов. Инженеры и дизайнеры, используя законы, могут целенаправленно модифицировать существующие изделия, делая их более компактными, лёгкими, дешёвыми и функциональными.

Критика и ограничения

Несмотря на широкую известность в инженерной среде, законы развития технических систем не являются строгими научными законами в физическом или математическом смысле. Основные замечания:

• Эмпирический характер. Законы выведены на основе обобщения большого числа исторических примеров, но не имеют строгого математического или физического обоснования. Они скорее описывают статистические тенденции, а не абсолютные детерминированные зависимости.
• Неполнота. В ряде случаев развитие техники может идти вразрез с некоторыми законами (например, при создании принципиально новых систем, не имеющих аналогов). Кроме того, законы не учитывают влияние внешних факторов — экономических, социальных, политических.
• Сложность применения. Для корректного использования ЗРТС требуется высокая квалификация аналитика и глубокое знание предметной области. Формальное применение законов без понимания сути системы может приводить к ошибочным выводам.
• Отсутствие единой общепринятой системы. В разных школах ТРИЗ (российской, американской, европейской) существуют различные списки законов, их трактовки и названия. Единого стандарта не существует.

Влияние на инженерную мысль

ЗРТС стали основой для развития методологии инженерного творчества, особенно в СССР и странах постсоветского пространства. Они легли в основу учебных курсов по ТРИЗ в технических вузах (Московский авиационный институт, Санкт-Петербургский политехнический университет, Новосибирский государственный технический университет и др.). В 1980–1990-х годах на базе ЗРТС были разработаны более специализированные инструменты: законы развития бизнес-систем, законы развития программного обеспечения, законы эволюции биологических систем.

В современной инженерной практике ЗРТС используются в сочетании с другими методами системного анализа (функционально-стоимостной анализ, морфологический анализ, метод фокальных объектов) и компьютерным моделированием.

Источники

• Альтшуллер Г. С. «Творчество как точная наука. Теория решения изобретательских задач». — М.: Советское радио, 1979.
• Альтшуллер Г. С. «Найти идею. Введение в ТРИЗ — теорию решения изобретательских задач». — М.: Альпина Паблишер, 2020.
• Злотин Б. Л., Зусман А. В. «Законы развития технических систем». — Кишинёв: МНТЦ «Прогресс», 1989.
• Петров В. М. «Законы развития технических систем. Учебное пособие». — Тель-Авив, 2002.
• Половинкин А. И. «Основы инженерного творчества». — М.: Машиностроение, 1988.