Текст книги "Теория решения изобретательских задач"

3. Подсистемы и надсистемы, системный подход

Подсистемы

Как правило, ТС рассматривается не абстрактно, а в контексте какой-либо задачи.

Например, необходимо удешевить автомобильное колесо, не ухудшая его потребительских качеств. Колесо автомобиля, как и любая ТС, имеет части. Можно выделить эти части и представить колесо в виде структурной схемы (рис. 7):

Рис. 7. Структурная схема колеса

При этом не забудем, что части колеса тоже могут рассматриваться как технические системы и детализация схемы может продолжаться настолько глубоко, насколько это необходимо для решения конкретной задачи.

Структурная схема – это схема, показывающая связи между подсистемами ТС.

Любые части (элементы) ТС в ТРИЗ называются подсистемами. Зачем нужно «вычислять» подсистемы, делать структурную схему? Дело в том, что все свойства ТС определяются её подсистемами и взаимодействием между ними. Структурная схема позволяет тщательно разобраться в устройстве и свойствах ТС, найти неиспользованные резервы совершенствования, ресурсы развития ТС.

Подсистема – часть ТС, имеющая значение для решения задачи. Элемент – подсистема ТС, условно считающаяся неделимой в рамках конкретной задачи.

Надсистемы

В то же время каждая ТС является частью какой-то бóльшей системы. Эта бóльшая система, в которую рассматриваемая ТС входит в качестве подсистемы, в ТРИЗ называется надсистемой.

Так, кухонная плита является подсистемой кухни, а сама кухня – подсистемой квартиры. Кухня – надсистема для плиты. Квартира – надсистема для кухни.

Для каждой ТС можно найти много надсистем. Выбор надсистемы зависит от задачи, в рамках которой рассматривается система. Если решается задача о продаже кухонных плит, то в качестве одной из надсистем логично рассматривать торговый зал магазина, в котором их продают.

А что следует выбрать в качестве надсистем для вышеупомянутого автомобильного колеса в контексте задачи по его удешевлению? Это системы производства колёс и составляющих материалов. Если рассматривать не только удешевление производства колеса, а снижение его стоимости для потребителя, то в качестве надсистем следует также рассматривать и склады для хранения колёс, систему перевозок и рынок их сбыта, системы ремонта и утилизации.

Надсистема – система, в которую рассматриваемая ТС входит как часть.

Системный подход

Системный подход предполагает выявление совокупности подсистем и надсистем рассматриваемой ТС и учёт их взаимодействия в разных условиях и на разных этапах существования ТС.

Так, проектируя автомобиль, необходимо рассмотреть его функционирование в разных надсистемах. Это дорога (с учётом разного вида дорог, разного их состояния, разной скорости автомобиля и режимов его работы), ремонтная мастерская, гараж, город и общество в целом с его проблемами (например, угон автомобилей). Водителя с пассажирами и грузом также можно рассматривать в единой надсистеме с автомобилем. Способ открывания дверей влияет на возможности парковки. Регулировка положения руля обеспечивает комфорт водителям разного роста. Имеют специфику и разные этапы жизни автомобиля: проектирование, производство подсистем, сборка, испытание, функционирование, обслуживание и ремонт, утилизация.

Всё связано со всем… Системность подхода выступает как синоним полноты, всесторонности.

Системный подход помогает найти:

1) Проблемы, связанные с несовершенством тех или иных подсистем или надсистем рассматриваемой ТС, случаи рассогласования взаимодействия подсистем ТС между собой или ТС и её надсистем.

Колесо автомобиля хорошо выполняет функции на сухом асфальте. Но если на высокой скорости колесо попадёт на мокрую поверхность, может начаться скольжение, и управляемость автомобиля резко снизится.

Военный самолёт-истребитель предназначен для ведения воздушного боя. Один из элементов, существующих в этом пространстве, – зажигательная пуля. Если она попадёт в неполный топливный бак самолёта – произойдёт взрыв, взорвутся пары топлива. Конечно, можно сделать бронированный бак. Но это противоречит требованиям надсистемы – самолёт станет слишком тяжёлым.

2) Ресурсы для решения найденных проблем.

В старые времена случилась такая история [7]: корабль потерял управление и много дней блуждал по морю, пока не встретился с другим судном. С мачты потерявшего курс корабля был подан сигнал «Мы умираем от жажды!». Тотчас со встречного корабля ответили: «Опустите ведро за борт». И снова бедствующий корабль повторяет свой сигнал и получает тот же ответ. Тогда капитан внял совету и приказал опустить ведро. Когда его подняли, оно было наполнено прес ной водой. Оказалось, в этом месте воду опреснял сток реки Амазонки, чьё влияние сказывается на расстоянии до 300 морских миль от устья.

С позиций ТРИЗ эта история рассказывает, как ресурс для решения задачи был найден в ближайшей надсистеме и как люди не смогли без подсказки самостоятельно найти этот ресурс из-за его неочевидности.

Так же бывает и с реальными задачами – их решают, найдя необходимый ресурс в ближайшей надсистеме. Но самые красивые решения получаются, когда удаётся найти неочевидный ресурс внутри самой проблемной системы, среди её подсистем.

Как сделать, чтобы пары бензина в бензобаке не взрывались при попадании пули? Для этого нужно заполнить свободный объём в баке негорючим газом – углекислым или азотом. Но баллоны с газом уменьшат свободное пространство и полезную нагрузку. Хорошее решение нашли, когда догадались заполнять свободный от горючего объём бака охлаждёнными выхлопными газами двигателей самого самолёта, то есть практически той же смесью углекислого газа и азота, не поддерживающей горение.

1. Существует ли чёткая методика деления ТС на подсистемы?

– Технические системы делят на части относительно произ вольно. Иногда достаточно поверхностного деления, которое потом несколько раз уточняют в зависимости от цели задачи.

2. Всегда ли ресурсы, нужные для решения задачи, можно отыскать внутри ТС (среди её подсистем) или в ближайших надсистемах?

– Нет. Если внутренние или ближайшие ресурсы не обнаруживаются, то для решения привлекают внешние ресурсы.

Упражнение 3

1. Перечислите подсистемы крепёжного устройства «винт с гайкой».

2. Перечислите основные подсистемы самолёта. Составьте его структурную схему.

3. Перечислите надсистемы самолёта в различные периоды его жизненного цикла: разработка нового самолёта, испытания, хранение, взлёт, полёт и посадка.

4. Изобретательская ситуация и изобретательская задача

Откуда берутся изобретательские задачи? Существуют ли они в окружающем мире? Как их увидеть, осознать, сделать явными? Ответы на эти вопросы очень важно знать тем, кто хочет заниматься изобретательством.

Ситуация

Нейтральное описание происходящего определим как описание ситуации. Описать ситуацию – значит передать информацию о фрагменте действительности, указав на важные или интересные её объекты или процессы и их взаимодействия. Описание может быть подробным или фрагментарным, сжатым, кратким. Важно то, что в нём отсутствует проблемность. Ситуация – это описание фрагмента действительности.

Примеры ситуаций

• В комнате стоит шкаф. В нём хранятся вещи.

• Постукивая на стыках рельс, движется поезд, перевозящий пассажиров.

• При резком торможении автомобиля в его кузове произошло перемещение перевозимых грузов.

Изобретательская ситуация

Если в описании присутствует проблемность, то есть можно выявить нежелательные особенности, недостатки, то получаем изобретательскую ситуацию. В изобретательской ситуации (ИС) фиксируется не только описание важного фрагмента действительности, но и критическое отношение к нему. В ситуации выявляются нежелательные эффекты (НЭ), то есть вредные явления, ухудшающие важные потребительские качества рассматриваемой ТС. Указание на НЭ позволяет задать цели дальнейшего совершенствования описанных в ситуации объектов или процессов.

Изобретательская ситуация – это ситуация с выделенными в ней недостатками (нежелательными эффектами).

Нежелательный эффект – вредное явление, ухудшающее какое-либо потребительское качество системы.

Примеры изобретательских ситуаций

• В комнате стоит шкаф. В нём хранятся вещи. Из-за плотного размещения поиск нужной вещи внутри шкафа затруднён.

• Постукивая на стыках рельс, движется поезд, перевозящий пассажиров. Шум колёс и вибрация вагонов мешают пассажирам.

• При резком торможении автомобиля в его кузове произошло перемещение перевозимых грузов. Это перемещение привело к смещению центра тяжести автомобиля, а также к повреждению наружной оболочки грузов.

Изобретательская ситуация возникает при предъявлении к объектам или процессам требований, которые на данный момент не могут быть выполнены. Пока таких требований нет, нет и ИС. Меняя требования к происходящему в описанной ситуации, можно обнаруживать в ней различные нежелательные эффекты. Их выявление позволяет получать различные ИС. Например, для одной из рассмотренных выше ситуаций (в комнате стоит шкаф, в нём хранятся вещи) могут быть заданы различные НЭ:

• Затруднён поиск нужной вещи внутри шкафа.

• Шкаф занимает много места.

• Дверцы шкафа скрипят.

• При открывании шкафа внутрь попадает воздух, который несёт с собой пыль, загрязняющую хранимые вещи.

• Вещи, висящие в шкафу, мнутся при контакте друг с другом.

• …

Изобретательская задача

Для получения изобретательской задачи (ИЗ) достаточно объединить описание ситуации, нежелательный эффект и цель, которую надо достичь. При описании ИЗ могут быть указаны и ограничения на используемые при решении средства.

При движении поезда взаимодействие колёс и стыков рельс приводит к вибрации вагонов. Стук колёс и вибрация мешают пассажирам. Для повышения комфортности пассажиров необходимо устранить в вагонах шум и вибрацию. Переходить к бесстыковому рельсовому пути слишком дорого.

Изобретательская задача представляет собой описание ситуации с указанием нежелательного эффекта, цели, которой необходимо достичь, и ограничений на способы достижения этой цели.

Сложность задачи во многом определяется тем, с каким количеством ограничений приходится иметь дело. Предельным случаем увеличения количества ограничений будет требование получить желаемый результат без каких-либо существенных изменений в исходной системе. В таком случае в ТРИЗ принято говорить, что необходимо решить мини-задачу.

Мини-задача – это изобретательская задача, в условиях которой специально оговорена необходимость добиться требуемого результата без внесения существенных изменений в исходную систему.

При движении поезда взаимодействие колёс и стыков рельс приводит к вибрации вагонов. Стук колёс и вибрация мешают пассажирам. Для повышения комфортности пассажиров необходимо устранить в вагонах шум и вибрацию. Переходить к бесстыковому рельсовому пути слишком дорого. Габариты вагонов, их внутренний полезный объём и грузоподъёмность, а также используемый способ амортизации не должны быть изменены.

Пример формулирования изобретательской задачи в реальной ситуации

Как правило, при совершенствовании техники первоначально приходится иметь дело с весьма расплывчато описанными изобретательскими ситуациями. Вот один конкретный случай из практики специалистов по ТРИЗ.

Фирма осваивала производство косметических средств на основе измельчённых пантов – молодых отростков рогов северного оленя, содержащих ценные вещества. Технология дробления пантов такова: предварительно измельчённое сырьё поступает в специальную вихревую дробилку (ёмкость, в которой создан устойчивый воздушный вихрь). Туда же направляют дополнительные мелющие тела – мелкие ферромагнитные частицы. Они также летают в воздушных вихрях и, сталкиваясь с частичками пантов, измельчают их. Кроме того, в дробилке создают переменное магнитное поле. Под его действием магнитные частицы совершают колебания вокруг траектории своего движения. Таким образом панты измельчаются до величины 1–50 микрон. После завершения процесса измельчения ферромагнитные частички отделяют в магнитном сепараторе.

Выяснилось, что некоторые ферромагнитные частицы так сцепляются с измельчёнными частичками пантов, что их невозможно отделить магнитом. Это плохо, ферромагнитный порошок загрязняет готовый продукт.

Итак, основной недостаток связан с тем, что вредный для человека ферромагнитный порошок попадает в готовую продукцию. Это изобретательская ситуация, расписанная довольно подробно.

Пока не поставлены цель и ограничения, переход к изобретательской задаче ещё не выполнен. Цели конкретной задачи могут быть различными. Может быть, надо совершенствовать вихревую дробилку, чтобы измельчать продукт без дополнительных мелющих тел, или заняться разработкой способа получения микрочастичек железа с поверхностью, не пристающей к пантам. А возможно, надо создать такие сильные магнитные поля, в которых обязательно произойдёт отделение металла от измельчённого сырья.

Какую цель выбрать? Прежде всего нужно сформулировать мини-задачу, так как её решение наиболее выгодно для производства – не надо закупать новое оборудование, перестраивать технологический процесс…

Сформулируем мини-задачу: избавиться от нежелательного эффекта – попадания частичек мелющих тел в готовый продукт. При этом технологический процесс необходимо оставить без изменений (или почти без изменений).

Специалист по ТРИЗ описывает задачу в максимально обостренной форме – с помощью противоречия. В данном случае было выбрано такое противоречие: частицы мелющих тел не должны оставаться в готовом продукте, чтобы не загрязнять его вредными для человека веществами, и должны оставаться в готовом продукте, чтобы не усложнять процесс изготовления. Формулировка минизадачи, содержащая противоречие, – уже серьёзная подсказка для специалиста. Разрешение противоречия – стандартная процедура в ТРИЗ… Вводимые в дробилку частицы должны быть мелющими телами, чтобы улучшить измельчение, и они должны быть элементами готового продукта, то есть нужно заменить железные частицы безопасными (или даже полезными) для потребителя мелющими телами, которые можно оставить в составе готового продукта.

Повторим последовательность действий при постановке ИЗ:

1. Описываем исходную ситуацию.

2. Формулируем ИС: в исходной ситуации выявляем проблемную часть – нежелательные эффекты.

3. Ставим ИЗ: определяем цели дальнейших улучшений и ограничения, которые необходимо учесть.

Упражнение 4

Дана изобретательская ситуация: «После праздника несколько надувных шариков оказалось под потолком конференц-зала гостиницы. К началу следующего мероприятия шарики нужно убрать. Но лестницу подходящей длины взять негде. Использовать пожарную машину с длинной лестницей нежелательно – машина не попадёт в зал, кроме того, её приезд может потревожить постояльцев гостиницы. Что делать?»

Рассмотрите эту ситуацию. Сформулируйте несколько изобретательских задач на основе этой ИС с разной формулировкой НЭ. Какую задачу (какие задачи) из сформулированных вами вы считаете мини-задачей?

Упражнение 5

Человек, который собирает в лесу ягоды, вынужден наклоняться за каждой ягодкой. Это может привести к повышению внутричерепного давления. Какие изобретательские задачи вы можете предложить для решения в рамках этой изобретательской ситуации?

5. Причинно – следственный анализ

При анализе ИС полезно строить причинно-следственные цепочки. Это позволяет найти в ситуации целый ряд нежелательных эффектов.

Вот широко известная английская песенка[11]11
  Перевёл на русский язык С.Я. Маршак.


[Закрыть]:

 
Не было гвоздя, – подкова пропала.
Не было подковы, – лошадь захромала.
Лошадь захромала, – командир убит.
Конница разбита, армия бежит.
Враг вступает в город, пленных не щадя, —
Оттого что в кузнице не было гвоздя!
 

Как видите, большие последствия могут возникать по незначительным причинам. Из этой условной ситуации можно сделать несколько методически важных выводов.

Первый вывод: далеко не всегда следует работать с тем, что непосредственно представляется как задача (как защитить город от врага, если защищающая его армия разбита?). Надо находить более глубокие причины, которые могут быть легко устранены.

Второй вывод: решать задачу можно на самых разных уровнях. В нашем случае – обеспечивать наличие в кузнице полного комплекта гвоздей, придумывать, как удержать подковы на копытах лошади без гвоздей, учить лошадь скакать без подков, предусмотреть защищённость командира в любых условиях и так далее.

Все явления окружающего нас мира имеют причины. Естественно, что есть причины и у нежелательных эффектов. Выявить эти причины – значит иметь возможность бороться с мешающим нам недостатком ещё до его возникновения. Исходный нежелательный эффект может быть устранён через решение разных задач.

Картины в музеях необходимо освещать. Плохо освещённые картины не воспринимаются посетителями. Если музей расположен в специально созданном для него здании, то задача местного освещения решается просто. Но если здание музея само по себе представляет историческую ценность, то возникает изобретательская ситуация. Размещать в стенах проводку и светильники нельзя. Можно разместить рядом с картиной торшер – лампу на высокой подставке. Крепить её к полу тоже нельзя: пол из ценного паркета. Незакреплённый торшер может упасть из-за случайного толчка посетителя.

Исходно заданный НЭ: картина плохо видна посетителям. Найдём совокупность более глубоко заложенных в этой изобретательской ситуации нежелательных эффектов, выстраивая причинно-следственную цепочку. Для этого будем последовательно задавать вопрос «По какой причине?» сначала к исходно заданному нежелательному эффекту, а затем к тем, которые будут выявлены как его причины.

Детали картины не видны посетителям.

По какой причине?

Картина затемнена.

По какой причине?

У картины нет добавочного освещения.

По какой причине?

Торшер неустойчив.

По какой причине?

Центр тяжести торшера размещён высоко.

По какой причине?

Лампа, патрон, защищённый провод и отражатель много весят.

По какой причине?

…

Построение причинно-следственной цепочки показывает, что внешне видимый недостаток, на котором построена изобретательская ситуация, имеет внутренние причины. Для решения исходно поставленной задачи: привлечения интереса посетителей к картине – причинно-следственная цепочка может быть разорвана в любом месте.

Примеры задач, которые могут быть поставлены в этом случае:

• Пусть торшер тяжёлый, но его центр тяжести будет расположен низко.

• Пусть центр тяжести торшера расположен высоко, но он будет устойчив.

• Пусть у картины нет добавочного освещения, но она не будет затемнена.

• Пусть картина затемнена, но её детали будут видны посетителям.

Можно выбрать из этих задач ту, которую по тем или иным причинам проще решать. Решив любую задачу, мы устраним первоначально заявленный НЭ.

Возможность работать с разными задачами даёт решателю преимущество: для решения можно использовать методы и инструменты из разных областей науки и техники, привлекать специалистов разного профиля.

Причины возникновения НЭ можно искать как внутри системы, так и в надсистемах. В последнем случае также целесообразно использовать вопрос «По какой причине?»

При расследовании ДТП, случившегося во время сильного дождя, оказалось, что, несмотря на грамотные действия водителя, тормозной путь автомобиля был больше обычного.

По какой причине?

Снизилась сила трения между дорогой и шиной.

По какой причине?

Уменьшилось пятно контакта шины с дорогой.

По какой причине?

Во время сильного дождя образуется водяной клин перед колесом.

По какой причине?

Каналы протектора не успевают пропускать воду через себя.

По какой причине?

Каналы недостаточно широки.

По какой причине?

Увеличение ширины каналов приведёт к уменьшению площади выступов протектора, что уменьшит сцепление с сухой дорогой, поэтому проектировщики не расширяют каналы.

Построив линейную цепочку, мы рассмотрели упрощённую ситуацию. Реально цепочки могут раздваиваться, разветвляться.

Естественно, причинно-следственные цепочки можно продолжать в обе стороны и далее. Строя цепочку внутрь системы, можно выйти на причины физической или химической природы. Поставленные на этих уровнях задачи целесообразно решать с привлечением консультантов с естественнонаучным образованием. Строя цепочку в надсистему, можно выйти на организационно-управленческие причины возникновения исходного нежелательного эффекта. Здесь более эффективными окажутся специалисты в области управления и организации производства.

Упражнение 6

Постройте причинно-следственные цепочки для описанных ниже ИС. Цепочки постройте как внутрь системы, так и в надсистему.

Изобретательские ситуации:

• Если не закрывать бутылочку с лаком для ногтей, то лак быстро густеет. Наносить его становится неудобно.

• При интенсивной работе мобильного телефона быстро заканчивается заряд аккумулятора.

• При закрывании двери раздаётся скрип.

• Растения, украшающие холл больницы, сами выглядят нездоровыми: листья пожелтели и частично осыпались. Это плохо влияет на настроение пациентов.

• Поиск нужного документа в офисе занимает слишком много времени.