Законы развития технических систем

Февраль 2003

ЗРТС часть 1

3.2.2 Переходный этап

3.2.2.1.1.1

Характеристика переходного этапа

Вообще говоря, переходный этап - это часть первого этапа, и характеристика первого в общих чертах справедлива для переходного. Отличия связаны с тем, что ТС практически достигла уровня, достаточного для начала проникновения на рынок, и делает попытки осуществить этот переход. В этот момент система находится как бы в состоянии неустойчивого равновесия, при котором сила, благодаря достоинствам ТС продвигающая ее на рынок, уравновешивается тормозящей силой, связанной с недостатками ТС, противодействием систем предыдущего поколения, инерцией общества и т.п.

Особенностью подобных состояний является тот факт, что равновесие может быть нарушено в любую сторону благодаря очень слабым воздействиям. Т.е. внедрение или неуспех такового могут зависеть от случайных причин - удачной/неудачной демонстрации, хорошего настроения/насморка потенциального инвестора и т.п. Ситуация осложняется тем, что обычно на переходный этап почти одновременно выходят несколько модификаций ТС, обладающих примерно одинаковым набором признаков. Их конуренция еще обостряет неопределенность. Именно на этом этапе разворачиваются драмы с подкупом членов приемных комиссий, диверсиями на испытаниях и прочими "маркетинговыми ходами". Приведем несколько примеров.

Пример 1.

В начале 20 века проводились сравнительные испытания нескольких типов самолетов. Это был перелет по длинному маршруту со множеством промежуточных посадок. Комиссия фиксировала время между каждым взлетом и посадкой и суммировала данные. В итоге один из типов самолетов, находившийся в воздухе меньше других, был объявлен победителем. Однако владелец другого самолета заранее предпринял красивый ход. Он приказал своей команде летчиков и техников, чтобы при любых условиях его самолет взлетал с каждого промежуточного аэродрома первым. Соответственно, публика и корреспонденты, встречавшие самолеты на промежуточных финишах, каждый раз видели одну и ту же картину - первым прилетает и садится именно этот самолет! Натурально, его фотографии появлялись в газетах в первую очередь. Соответственно, в массовом сознании прочно укрепилась мысль, что именно он самый быстрый. А что там комиссия подсчитывала по протоколам, уже никого не волновало.

Пример 2.

Известен факт, что во время сравнительного испытания пулеметов в завтрак штатному испытателю одной из фирм, пулеметчику-асу, специально нанятый агент добавил несколько капель атропина. Как пулеметчик потом ни вглядывался расширившимися зрачками в расплывающуюся перед глазами мишень, точность стрельбы резко упала, и на вооружение была принята другая модель пулемета…

Пример 3.

На заре электротехники возникла острейшая конкуренция между вышедшими на переходный этап электрическими машинами постоянного и переменного тока. В какой-то момент произошло событие, напрямую с этой конкуренцией не связанное, но имевшее большой общественный резонанс, - была сделана малоудачная попытка казнить преступника на электрическом стуле, используя переменный ток. Что-то недорассчитали, преступник сразу не погиб, и его, причиняя невероятные страдания, долго и мучительно добивали все новыми ударами тока. Так вот, Томас Эдисон, лоббировавший машины постоянного тока, развернул вокруг этого случая шумную компанию, доказывая на его примере огромную опасность и антигуманность переменного тока и благодатность постоянного. Ничего не поделаешь - девиз переходного этапа прост: "вчера было рано, завтра будет поздно".

Поскольку заранее неизвестно, где систему ждет успех, делаются попытки проникновения в несколько секторов одновременно. Бывают локальные успехи, но ниша оказывается слишком узкой, и лавинообразного внедрения не получается. Пример - fuel cell, которые впервые были внедрены на подводных лодках и в космосе. Ну и сколько тех лодок и космических аппаратов?

Обычно параллельно пытаются выйти на рынок несколько типов ТС, но большинство попыток оказываются неудачными. В итоге возникает эффект "бутылочного горлышка" - к концу переходного этапа побеждает один тип систем, а развитие остальных временно (или навсегда) угнетается.

Таким образом, главной задачей, стоящей перед разработчиками ТС, вышедшей на переходный этап, является обеспечение скорейшего внедрения и захват рынка.

Здесь необходимо указать на одну чрезвычайно важную особенность конкуренции систем за выход на рынок. Используем для этого биологическую аналогию.

Известно, что динамика роста числа бактерий на питательной среде также хорошо описывается S-образной кривой (Рисунок 21):

Рисунок 21 Рост числа бактерий

Опыты показали, что вначале бактериям требуется некоторое время для адаптации к новым условиям, поэтому они размножаются довольно медленно, затем, приспособившись, они демонстрируют лавинообразный рост, пока не заполнят все доступное пространство. В этот момент размер колонии стабилизируется до тех пор, пока не кончатся питательные вещества либо среда не будет перенасыщена продуктами жизнедеятельности. С этого момента число бактерий идет на убыль вплоть до вымирания.

Кроме того, выяснилось, что каждый вид бактерий имеет свое характерное время адаптации (аналогично длине первого этапа у ТС) и свою максимально достижимую численность (аналогична пределу развития по главным показателям у ТС). Так вот, самое интересное началось, когда два различных вида бактерий одновременно поместили в одну чашку Петри. Результат отражен на Рисункe 22:

Рисунок 22 Рост числа бактерий (2 вида популяций)

Как видим, тип А обладал очень большим потенциалом роста, но довольно длинным периодом адаптации. Тип В, наоборот, был очень адаптабельным, но имел весьма скромный потенциал. И именно он победил в борьбе за ресурсы! Пока его более перспективный конкурент неторопливо готовился развернуться во всем блеске, он быстренько выскочил на этап бурного роста и захватил все жизненное пространство. В итоге вид А был абсолютно угнетен и вымер, далеко отстав от победителя и так и не реализовав свои выдающиеся способности.

Судя по всему, похожие события разворачиваются и в мире техники. Понятно, что система, первой вырвавшаяся на рынок, за счет ставших ей доступными ресурсов стремительно улучшает свои главные показатели и становится труднододосягаемой для конкурентов. К тому же она быстро занимает самые легкодоступные ниши, стягивает на себя внимание и ресурсы общества, вокруг нее начинает складываться некая инфраструктура, т.е. набирается инерция, отметающая конкурентов. В результате развитие аутсайдеров угнетается (просто денег не дают), и им остается либо погибнуть совсем, либо дожидаться момента, когда счастливый победитель выдохнется, и их замечательный потенциал будет, наконец, востребован.

Так случилось в истории автомобилестроения. В борьбу вступили машины с двигателем внутреннего сгорания (Рисунок 23) и электромобили (Рисунок 24), имевшие на тот момент близкие характеристики по скорости и грузоподъемности.

Рисунок 23 Машина с бензиновым двигателем

Рисунок 24 Электромобиль

У электромобиля была масса преимуществ - простота управления и обслуживания, бесшумность, отсутствие вонючего выхлопа. Не было только одного - инфраструктуры: ни электросетей, ни зарядных станций, ни пунктов обмена батарей… Конечно, для машин с ДВС бензоколонок тоже не было. Но им крупно повезло. Дело в том, что существовала развитая отрасль промышленности, производившая керосин для освещения. Керосин добывали из нефти, но при этом образовывался очень неприятный побочный продукт - бензин. Для ламп он не подходил в силу взрывоопасности, и девать его было некуда (обычно его сливали в реки, отравляя по мере сил окружающую среду). Правда, одно применение нашли - его продавали в аптеках в качестве наружного средства для кожи. Таким образом, автомобили с ДВС получили очень дешевый ресурс - бензин, и готовую сеть снабжения - аптеки! Вот так и случилось, что уже больше ста лет весь мир ездит на дымящих и рычащих бензоходах J вместо бесшумных и чистых электромобилей, загнанных в унизительные ниши типа цеховых погрузчиков (в лучшем случае), инвалидных кресел и тележек для перевозки игроков в гольф, да еще, пожалуй, луноходов. И только совсем недавно прогресс в производстве батарей и fuel cell достиг такого уровня, что общество снова всерьез заинтересовалось электромобилями. Специалисты считают, что, сложись все иначе, потраченные на бензиновые двигатели колоссальные средства были бы направлены на развитие портативных источников тока, и сегодняшний их уровень был бы достигнут и превзойден полвека назад.

Таким образом, на переходном этапе побеждает не самая перспективная ТС, а самая приспособленная к существующей надсистеме (в частности, инфраструктуре и доступным ресурсам).

3.2.2.1.1.2 Причины переходного этапа

· Главная причина - неустойчивое равновесие между силами, ускоряющими и тормозящими внедрение.

· Нарастает сопротивление со стороны конкурирующих систем, владеющих рынком.

Известно, что с появлением первых автомобилей их главными противниками стали владельцы контор дилижансов. Используя свой вес и влияние, они всячески лоббировали принятие законов и правил, препятствующих эффективному использованию автомобиля. Например, одно из правил требовало приделывать к передку машины муляж лошадиной головы, чтобы "не пугать лошадей". Другое, совсем драконовское, предписывало, чтобы перед машиной бежал слуга с колокольчиком, предупреждая прохожих о приближении этого ужасного детища прогресса. А дорожная полиция заодно с гражданскими активистами устраивала на прямолинейных участках дорог засады на водителей, хоть чуть-чуть нарушивших бессмысленно-жестокие ограничения скорости.

· Острая конкуренция со стороны соперничающих модификаций ТС.

Ресурсы общества распыляются на поддержку нескольких конкурентов, корпоративные пользователи выжидают, "кто победит", а нередкая "война компроматов" подрывает доверие ко всем жаждущим внедрения типам ТС.

3.2.2.1.1.3 Признаки переходного этапа

· Быстро нарастают темпы роста главных показателей (Рисунок 25).

Причина понятна - ТС уже внятно демонстрирует свои достоинства, это снижает риск инвестиций в нее, соответственно, система получает дополнительные ресурсы для развития, что и отражается на быстром росте главных показателей.

Рисунок 25 Ускорение роста главных параметров (по книге Г.С. Альтшуллера "Творчество как точная наука" М. Советское радио 1979)

· Система достигла уровня развития, практически удовлетворяющего первоначальным требованиям общества.

Следует отметить, что иногда выход на переходный этап происходит по независящим от ТС причинам. Например, ситуация в обществе может измениться так, что снизится уровень притязаний к ТС, и она сразу станет востребованной. Так, с началом 1-й мировой войны сразу стали нужными самолеты, несмотря на все тогдашнее их несовершенство. Может также искусственно быть снижена конкурентоспособность прежних фаворитов рынка. Например, так в свое время произошло с электронными лампами. Понимая перспективность полупроводников, в то время еще слишком дорогих, американское правительство ввело специальный налог на "запаянный вакуум", величина которого зависела от суммарного объема радиоламп в приборе. Благодаря этому налогу относительная дороговизна полупроводников уменьшилась, они уверенно вышли на рынок, и быстро развившаяся технология радикально снизила их себестоимость и повысила качество.

· Делаются попытки внедрения в разных областях, большей частью неудачные или имеющие локальный успех.

· Количество патентов в течение переходного этапа сначала повышается, а затем может немного снизится (Рисунок 26).

Рисунок 26 Количество патентов (по книге Г.С. Альтшуллера "Творчество как точная наука" М. Советское радио 1979)

Это объясняется, во-первых, тем, что при переходе к промышленному внедрению возникают новые задачи, решения которых находят отражение в патентах, во-вторых, тем, что окончательно проясняются (и патентуются) все особенности новой ТС, в-третих, тем, что при переходе к внедрению создают патентный зонтик, а в-четвертых, тем, что в этот момент берут патенты, которые раньше придерживали, чтобы преждевременно не истек срок их действия.

Отметим, что наряду с другими признаками, базирующимися на патентной статистике, данный признак малонадежен и имеет скорее справочно-познавательное значение.

· Уровень патентов в течение переходного этапа сначала немного повышается, а затем снижается (Рисунок 27).

Некоторое повышение уровня изобретений, с одной стороны, обеспечивается отложенными патентами, а с другой стороны, достаточной сложностью задач, возникающих при переходе от единичного к серийному производству и требующих решений соответствующего уровня.

Этот признак также малонадежен.

Рисунок 27 Уровень изобретений(по книге Г.С. Альтшуллера "Творчество как точная наука" М. Советское радио 1979)

3.2.2.1.1.4

Возможные выводы из того факта, что система находится на переходном этапе развития.

· Главный вывод - необходимо маскимально ускорить внедрение. Лучшее - враг хорошего.

· Требуется достичь минимально приемлемого значения основных параметров и резкого опережения как минимум по одному из них.

· Следует внедрять ТС в одной конкретной области, где соотношение ее достоинств и недостатков наиболее приемлемо, а параметр-"чемпион" имеет особое значение.

· Систему нужно приспособить к существующим инфраструктуре и источникам ресурсов.

· Допустимы серьезные изменения в составе системы и ее элементов. Принцип действия самой ТС (ее ядро) менять не следует.

С одной стороны, систему улучшать надо, и возможности для этого есть, поскольку на переходном этапе о крупносерийном производстве речь пока не идет. Следовательно, еще можно довольно основательно менять состав системы и конструкцию ее элементов. С другой стороны, ядро системы доказало свою эффективность (иначе его бы поменяли на первом этапе), да и времени на столь коренную ломку уже не осталось. Следовательно, от основного принципа действия отказываться не следует.

3.2.3 Второй этап

3.2.3.1.1.1 Характеристика второго этапа

На втором этапе происходит быстрый рост главных показателей системы (Рисунок 28) при относительном снижении затрат.

Рисунок 28 Быстрый рост главных параметров(по книге Г.С. Альтшуллера "Творчество как точная наука" М. Советское радио 1979)

Обычно при этом нарастает и объем выпуска.

Наиболее ярким примером ТС, находящейся в настоящий момент на втором этапе развития, является персональный компьютер (Рисунок 29).

Рисунок 29 Персональный компьютер

3.2.3.1.1.2

Причины второго этапа

· Система развилась настолько, что по соотношению F/C удовлетворяет требованиям общества. Она начинает приносить прибыль (Рисунок 30). Рискованность вложений в развитие ТС значительно снижается.

Рисунок 30 Прибыль и Инвестиционные риски(по книге Г.С. Альтшуллера "Творчество как точная наука" М. Советское радио 1979)

Соответственно, в развитие ТС начинают вкладывать все больше средств, что закономерно приводит к росту главных показателей. Это справдливо и для бесприбыльных систем (например, военных).

· Совершенствование ТС осуществляют не только изобретательскими, но и чисто инженерными методами, т.е. путем оптимизации.

Действительно, на переходном этапе от всех подсистем требовалась хотя бы мало-мальски удовлетворительная работоспособность, на их полировку и доводку не было ни средств, ни времени. На втором этапе эти ресурсы появляются в достаточном количестве и используются для улучшения ТС. Следует отметить, что оптимизация обычно не требует существенных изменений в конструкции ТС и технологии ее изготовления, а эффект от нее получается довольно значительный (особенно в первое время).

· Довольно часто переход ко второму этапу сопровождается увеличением серийности выпуска. Рост серийности сопровождается снижением затрат на изготовление единицы продукции.

Снижение затрат в массовом производстве дает разработчикам свободу маневра: можно улучшать ТС экстенсивными методами (используя более дорогостоящие технические решения), сохраняя при этом себестоимость на приемлемом уровне.

Переход к крупносерийному производству имеет еще одно преимущество. Дело в том, что существуют технологии, требующие больших капитальных вложений на старте, но обладающие большими возможностями и не требующие чрезмерных оперативных затрат. Их применение оправданно только в крупносерийном производстве, характерном для второго этапа. Высокая эффективность таких технологий позволяет значительно улучшить характеристики ТС. Например, переход от механической обработки к точному литью под давлением требует значительных вложений, но зато потом можно без особых затрат получать самые замысловатые профили (Рисунок 31, Рисунок 32).

Рисунок 31 Турбинное режущее лезвие

Рисунок 32 Doo-hickey

· Становится рентабельным производство высокоэффективных специализированных комплектующих и расходных материалов.

Разумеется, использование комплектующих и расходных материалов, специально оптимизированных для данной ТС, повышает ее главные показатели. Пример - автомобиль. После его выхода на второй этап появились этилированный бензин, специальные моторные масла (Рисунок 33) и т.п.

Рисунок 33 Моторное масло

3.2.3.1.1.3

Признаки второго этапа

· Если рост главных показателей сопровождается ростом факторов расплаты, то относительно равномерным.

Например, расход топлива пропорционален скорости автомобиля, а вес и габариты грузовика растут пропорционально росту его грузоподъемности.

· Нарастают количество разновидностей системы и областей ее применения.

Система на втором этапе обладает неисчерпанными еще ресурсами. Поэтому она обычно стремится занять все новые ниши на рынке. Например, компьютер, начавший свою карьеру как средство для вычислений, в настоящий момент проникает в сферы развлечений, искусства, бизнеса и т.п. (Рисунок 34).

Рисунок 34 Области использования компьтера

В свою очередь, новые сферы применения обычно требуют специализации, что приводит к появлению множества разновидностей ТС (Рисунок 35).

Рисунок 35 Легковой автмобиль и грузовик

· Нарастает глубина различий между разновидностями ТС.

Чем более далекие области применения занимает система и чем дальше заходит ее приспособление к ним, тем глубже различия между разновидностями ТС. Для примера можно взять историю развития мяча. Родившись из плотно увязанного комка тряпок, он дал начало множеству различных игр, соответственно изменившись сам (Рисунок 36):

Рисунок 36 Виды спортивных мячей

А дальнейшее развитие привело в том числе к таким мутантным формам, как волан для бадминтона и шар для боулинга (Рисунок 37):

Рисунок 37 Волан для бадминтона и шар для боулинга

· Относительная глубина различий между поколениями системы существенно уменьшается к концу этапа.

Причина очевидна - по мере исчерпания ресурсов развития каждый следующий шаг дается все с большим трудом.

· Система приобретает дополнительные функции, относительно тесно связанные с выполнением главной.

Вообще, наделение системы дополнительными функциями - один из типовых способов ее совершенствования. На втором этапе это делается в основном для захвата новых областей применения. Поскольку ресурсы развития ядра системы, ответственного за выполнение главной функции, еще не исчерпаны, на этом этапе дополнительные функции обычно навешиваются на это ядро, и поэтому они относительно близки к главной функции.

Возьмем для примера компьютерные игры. Сейчас некоторые из них вышли из области чистых развлечений и приобрели обучающие функции. При этом использовано ядро системы - интерактивный графический интерфейс плюс сценарий. Единственное отличие от просто развлекалки - в процессе игры человек приобретает навыки, полезные и за ее пределами.

Поскольку в обычных играх предусмотрена оценка действий игрока, появились (и будут появляться в дальнейшем) игры, предназначенные для разного рода тестирования. С их помощью можно выяснить как простейшие характеристики человека типа скорости реакции, так и сложные поведенческие - например, склонность к наступательной или оборонительной стратегиям и т.п.

· Система начинает потреблять ресурсы, предназначенные специально для нее.

Как уже говорилось, широкое распространение системы стимулирует появление обслуживающих ее систем. Становится выгодным производство специализированных ресурсов (на них обеспечен спрос). Например, широкое распространение стиральных машин спровоцировало производство детергентов, ориентированных исключительно на машинную стирку (Рисунок 11):

Рисунок 38 Стиральная машина и моющее средство

· При объединении системы с элементами надсистемы они начинают приспосабливаться к ней.

Например, на заре сетевой эры компьютеры и их модемы были вынуждены приспосабливаться к существующим телефонным линиям. После выхода сетей на второй этап появились и набирают силу линии связи (оптические, к примеру), специально приспособленные для передачи данных между компьютерами.

3.2.3.1.1.4 Возможные выводы из того факта, что система находится на втором этапе развития.

· В конструкцию системы и ее элементов при их совершенствовании следует вносить изменения средней глубины (без изменения принципа их действия).

Заложенные в систему принципы еще не исчерпали возможностей своего развития, поэтому отказ от них на втором этапе обычно нецелесообразен.

· Свертывание и развертывание примерно равноправны.

С одной стороны, на втором этапе система обычно склонна принимать на себя новые функции, что, как правило, сопровождается развертыванием, т.е. появлением новых узлов и деталей. Например, грузовик обзавелся стрелой и опорами, взяв на себя функции автокрана (Рисунок 39):

Рисунок 39 Автокран

C другой стороны, система имеет уже достаточно богатую историю усложнения, переделок и модификаций, чтобы накопить возможности для свертывания. В общем случае обе тенденции имеют одинаковое право на существование. Выбор направления совершенствования зависит от конкретной ситуации (целей, ограничений, наличия ресурсов и т.п.).

· Имеет смысл решать задачи по адаптации системы к новым областям применения.

Как уже говорилось, на втором этапе системы склонны проникать в новые сектора рынка. Этой закономерностью можно воспользоваться, прогнозируя развитие ТС или просто занимаясь ее совершенствованием. Методическим обеспечением такого подхода может являться инверсный анализ, базирующийся на функционально-ориентированном информационном поиске с использованием обобщенных функций.

· Допустима ориентация на использование специально адаптированных ресурсов надсистемы.

Использование специализированных ресурсов характерно для второго этапа, поэтому обычно на них можно рассчитывать при прогнозировании или обычном совершенствовании системы. Тем не менее окончательное решение следует принимать с учетом конкретной ситуации, типа проекта, его целей и ограничений. Например, при устранении узкого места, когда требуются решения, пригодные для немедленного внедрения, специализированные ресурсы могут оказаться недоступными.

· Допустимы компромиссы и решения, направленные на борьбу с нежелательными эффектами без устранения их причин.

Обычно на втором этапе противоречия, связанные с НЭ, еще не обострены, что позволяет обходиться компромиссами и паллиативными решениями.

Например, в одном из проектов анализировалось устройство для производства кусочков стекловолокна (Рисунок 40):

Рисунок 40 Производство стекловолокна (исходная ситуация)

Одним из его недостатков, препятствовавших дальнейшему увеличению производительности, был сильный шум. Противоречие, связывающее скорость вытягивания/рубки нити, производительность и шум, на данном этапе еще не слишком обострилось, поэтому вполне приемлемым оказалось чисто паллиативное решение - закрыть источник шума звукоизолирующим чехлом (Рисунок 41).

Особенностью данного решения, не имеющей отношения к теме, но придающей ему особое изящество, явилось то, что в качестве звукоизолирующего материала было предложено использовать стекловолоконный войлок, который изготавливался в соседнем цехе.

Рисунок 41 Производство стекловолокна (решение)

Продолжение следует