МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ. НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И НЕКОТОРЫЕ СПОСОБЫ РЕАЛИЗАЦИИ.

Явление «многофункциональность» широко используется в человеческой практике. Уровень многофункциональности во многих случаях является одним из основных показателей системы, одним из основных аргументов в конкурентной борьбе. Целью работы является определение основных направлений исследования явления «многофункциональность» и выявление способов ее реализации. Приведены основные направления и задачи исследований. В процессе выявления примеров многофункциональных систем и их анализа установлено, что на практике используется несколько десятков способов достижения многофункциональности. В числе наиболее часто используемых способы, которые можно объединить в группы “объединение носителей функций” и “трансформация”.

Ключевые слова: Многофункциональность, объединение, интеграция, функции.

Явление «многофункциональность», заключающееся в выполнении объектом нескольких различных функций, с древнейших времен широко используется в человеческой практике. Уже первые человеческие орудия труда были многофункциональными. С помощью палки обезьяна сбивала плоды и, заодно, постепенно превращалась в человека. В настоящее время нас окружает масса многофункциональных вещей. Отличаются высоким уровнем многофункциональности современная бытовая и, особенно, информационно-вычислительная техника. Например, сотовый телефон позволяет реализовать несколько десятков функций, персональный компьютер – сотни разнородных функций. Уровень многофункциональности во многих случаях является одним из основных показателей системы, одним из основных аргументов в конкурентной борьбе.

В ТРИЗ явление многофункциональность занимает особое место. Сделать объект многофункциональным – это содержание одного из наиболее часто используемых принципов разрешения противоречий – «принципа универсальности», одна из форм реализации ИКР и ведущего закона развития систем – «закона повышения степени идеальности при развитии системы».

В числе положительных результатов, обусловленных многофункциональностью системы, - улучшение потребительских свойств, уменьшение массы и занимаемого объема, уменьшение числа элементов и связей, повышение надежности и безопасности.

Широкое распространение и во многих случаях получение существенного положительного эффекта при реализации многофункциональности обуславливают необходимость и актуальность всестороннего исследования этого явления.

Цели исследований:

• Получение развернутого систематизированного знания о сущности явления «многофункциональность».
• Разработка рекомендаций и инструментов по эффективному использованию многофункциональности для решения практических задач.

Направления исследований:

• Обобщение практики создания многофункциональных объектов.
• Исследование видов многофункциональности и результатов ее реализации.
• Исследование факторов, определяющих многофункциональность.
• Выявление и классификация типовых способов, приемов достижения многофункциональности.
• Разработка рекомендаций, справочно-информационных материалов и инструментов по эффективной реализации многофункциональности.

Общие направления раскрываются конкретными задачами исследований. К числу ключевых и наиболее существенных можно отнести следующие задачи исследований:

• Выявление и систематизация примеров использования явления «многофункциональность» в различных областях человеческой деятельности.
• Многофункциональность в ТРИЗ.
• Выявление общих свойств многофункциональных объектов.
• Положительные и отрицательные эффекты, связанные с многофункциональностью.
• Критерии эффективности многофункциональных объектов.
• Выявление и классификация видов многофункциональности.
• Выявление структуры явления «многофункциональность», условий его возникновения, построение модели явления и ее исследование.
• Выявление и классификация приемов, способов и условий повышения многофункциональности,
• Выявление и исследование тенденций и линий развития многофункциональных объектов.
• Выявление места и роли многофункциональности в современной технике и других областях человеческой деятельности. Области преимущественного использования и наибольшей эффективности многофункциональности.
• Исследование особенностей многофункциональных объектов в различных отраслях и периодах человеческой деятельности.

Многообразие явления “многофункциональность” обуславливает многообразие возможных задач исследований. Поэтому этот перечень задач может и должен корректироваться.

Для выявления и систематизации способов повышения многофункциональности, исходными материалами могут служить научно-техническая литература, периодические издания, различные источники информации в электронной форме (базы данных, информационные источники Internet), а также доступный практический опыт создания и эксплуатации техники. При анализе информационных источников отбираются описания систем, объектов, операций и технологий, в которых использован принцип универсальности. При анализе этих технических решений выявляется и формулируется способ достижения универсальности, анализируются содержание способа, область применения, особенности носителей и объектов функций, условия реализации, эффективность, полнота выполнения дополнительных функций, используемые свойства и ресурсы, принадлежность к тем или иным классификационным группам, возможности развития.

В результате анализа выявленных универсальных технических решений установлено, что на практике используется достаточно большое число способов достижения многофункциональности (по крайней мере несколько десятков). При этом часто существует несколько механизмов и особенностей реализации каждого способа. С другой стороны, многие способы можно рассматривать как способы, реализуемые в рамках единого принципа, что позволяет объединить их в обособленные группы.

Наиболее часто для достижения многофункциональности используются следующие группы способов:

- объединение носителей функций,

- трансформация носителя функции,

- повышение динамичности,

- получение новых функций из имеющихся ресурсов системы и ее окружения,

- получение новых функций из новых ресурсов (вовлечение новых ресурсов для реализации новых функций),

- получение новых функций из неиспользованных ранее свойств системы и ее окружения,

- получение новых функций за счет изменения свойств системы и ее окружения

и д.р.

На практике особенно часто используется группа способов “объединение носителей функций”, включающая в себя способы и частные механизмы получения многофункциональных систем путем объединения двух или нескольких обособленных носителей различных функций, в результате чего образуется некое целое, выполняющее эти функции. (Под носителем функции понимается система или объект, выполняющие рассматриваемую функцию [1]). Например, два автономных объекта, карандаш (носитель функции «наносить след на поверхность») и ластик (носитель функции «стирать след с поверхности»), согласованные по размерам и форме и объединенные в единое целое с помощью гильзы образуют многофункциональный объект «карандаш с ластиком», который является носителем двух главных функций «наносить след на поверхность» и «стирать след с поверхности», и способный также выполнять ряд других функций. В данном примере многофункциональность достигнута за счет объединения с низким уровнем интеграции двух разнородных носителей функций.

Перечислим способы, которые можно отнести к способам достижения многофункциональности путем объединения носителей функции:

1. Объединение носителей функций без их изменения.

2. Объединение носителей функций с согласованием их ключевых для объединения параметров.

3. Объединение носителей функций с интеграцией их элементов.

4. Объединение носителей функций без возможности разъединения, с возможностью разъединения или с возможностью гибкого управления процессами объединение-разъединение.

5. Разделение целого на универсальные части и образование из них новых вариантов целого с новыми функциями.

Этот перечень может быть дополнен частыми способами объединения:

6. Согласование параметров объединяемых объектов (входных, выходных, питания, управления, установочных, сопрягающих, формы, размеров и устройства). Унификация и стандартизация связей, свойств, конструкций. Введение и использование соответствующих стандартов, протоколов и т.п.

7. Модульное строение, т.е. построение функциональных устройств в виде обособленного конструктивного целого с унифицированными стыковочными устройствами для образования связей различного рода (по физической природе: связей механических, оптических, электрических, гидравлических...; по назначению: связей силовых, энергетических, транспортных (для рабочих тел), управляющих, информационных...).

8. Выявление ресурсов для объединения-наращивания (объемы, связи, энергия, управление.. ) и использование их для формирования новых функций.

9. На стадии проектирования предусмотреть возможность введения в систему дополнительных функциональных устройств и наращивать их по мере возникновения потребности.

10. Уменьшение у дополняемых объектов-носителей функций размеров, объемов, массы, энергопотребления, количества требуемых ресурсов и связей.

11. Изменение взаимного положения объектов, их частей и их взаимосвязей.

12. Изменение вида и технологии объединения (объединить части объекта в различных сочетаниях, объединить элементы, структуры, взаимосвязи, ресурсы, операции...).

Возможно также использование различных сочетаний способов 1...12.

Следует отметить, что наблюдаемая тенденция к повышению многофункциональности и целый ряд способов ее достижения непосредственно следуют из таких законов развития технических систем как стремление к повышению идеальности, согласование параметров, развертывание-свертывание технических систем, существование которых установлено в Теории решения изобретательских задач [2,3].

При создании многофункциональных объектов путем объединения носителей функций существенную роль играет интеграция структурных элементов, которая в той или иной степени наблюдается практически во всех многофункциональных объектах и, по-видимому, является их атрибутом. Под интеграцией обычно понимается "состояние связанности отдельных дифференцированных частей и функций системы, организма в целое, а также процесс, ведущий к этому состоянию" [4]. Будучи в составе целого, исходные части, как правило, претерпевают изменения, одним из которых является интеграция их внутренних функциональных элементов. При этом степень и формы интеграции весьма многообразны, что может быть проиллюстрировано следующими примерами:

• Бак окислителя и бак горючего летательного аппарата имеют совмещенное общее днище.
• Рулевая реактивная система имеет четыре поворотные камеры сгорания, питаемые одним общим турбонасосным агрегатом.
• Криогенный топливный бак, находящийся в условиях теплового и силового воздействий, может иметь различные схемы конструктивных решений для оболочки бака, отличающиеся степенью интеграции различных функций одним конструктивным элементом (рис.1):

Рис 1. Конструктивные схемы оболочки топливного бака

Рассмотрим процесс интеграции структурных элементов многофункциональной системы, созданной путем объединения носителей различных функций. В простейшем случае каждый объект - носитель функции можно условно представить в виде совокупности главного и нескольких вспомогательных функциональных элементов. Главный функциональный элемент (ГФЭ) выполняет главную функцию объекта – ту, которая отражает назначение объекта, ту, ради выполнения которой объект создавался, ту, которая нужна надсистеме. Вспомогательные функциональные элементы (ВФЭ) выполняют вспомогательные функции, совокупность которых позволяет главному функциональному элементу выполнить главную функцию.

Модель образования и развития многофункционального объекта путем интеграции его элементов может быть рассмотрена на примере объединения двух однофункциональных объектов (рис.2).

Рис. 2. Модель развития интеграции в многофункциональном объекте.

Первоначально две системы существуют обособлено (рис.2-0). При частом совместном их использовании или по другим причинам их объединяют в комплект (например, комплект бортового инструмента) (рис.2-1). На следующей стадии два объекта "как есть" соединяются в единую конструкцию (рис.2-2). За стадией простого механического объединения следует многостадийный процесс интеграции объединенных объектов. Интеграция начинается с наиболее простых функциональных элементов, выполняющих внутренние функции, вовлекая все большее и большее их количество. Чаще всего первыми интегрируются механические элементы, выполняющие соединяющую функцию - каркас, станина, корпус и т.п. и источники энергии (рис.2-3, 2-4), а за тем и другие вспомогательные элементы (рис.2-5), при этом возможны различные сочетания и последовательности. Высшей стадией интеграции является некое цельное образование (конструкция-вещество), которое выполняет обе функции (рис.2-6). Одним из основных способов интеграции является “свертывание” - объединение элементов в единую систему с сокращением вспомогательных частей [2].

Рассмотренная схема представляет собой простейшую модель интеграции. Возможны, и в реальной практике встречаются, более сложные варианты: каждый из объединяемых объектов является многофункциональным; объединяются не два, а несколько объектов; осуществляется интеграция не только внутренних элементов между собой, но и интеграция внутренних элементов с надсистемой, окружающей средой или смежными системами; главную функцию реализует не один главный функциональный элемент, а совокупность нескольких элементов, причем некоторые из них также могут быть принадлежностью надсистем, смежных систем или окружающей среды; объединение может быть не полное, а частичное, и т.д.

Кроме тенденции к повышению интегрированности элементов системы наблюдается тенденция к увеличению полноты набора функций многофункциональной системы. Объединяются два функциональных элемента, несколько, много, столько, сколько нужно для выполнения "всех" (по крайней мере на уровне понимания потребностей в текущий момент) требуемых от подобной системы функций. Эту тенденцию развития систем можно сформулировать в виде тезиса: "От одной функции - к многофункциональности, от многофункциональности - к функциональной полноте".

Следует отметить, что на многополосной улице развития интеграции существует и полоса с противоположным направлением движения, т.е. наблюдаются процессы дезинтеграции, декомпозиции, разъединения, дробления. Взаимосвязанное существование и эффективность использования противоположных приемов “объединение” и “дробление” отмечено в [2]. Дезинтеграция в определенных случаях (в силу изменения условий функционирования, многообразия эксплуатационных ситуаций, изменения старых и возникновения новых потребностей, например, для обеспечения эффективности таких этапов жизненного цикла как ремонт, переналадка, модификация) становится более выгодной. В ряде случаев путем дезинтеграции можно повысить многофункциональность объекта. Один из механизмов этого явления заключается в том, что из исходного объекта при дезинтеграции получаем части, свойства которых, естественно, отличаются от свойств целого (исходного объекта), а новые свойства потенциально являются источником новых функций.

Возможны ситуации, например, в часто и быстро меняющихся условиях, когда система должна быть то объединенной, то разъединенной, т.е. гибкой, а иногда и управляемой. Тогда должна быть обеспечена обратимость процессов объединения-разъединения, интеграции-дезинтеграции. По степени "мобильности" можно выделить три уровня способности системы к изменениям типа объединение - разъединение: преобразование системы производится заранее в стационарных условиях, заранее в полевых условиях или в тот момент и в том месте, когда и где возникла необходимость.

Во многих случаях повышение степени интегрированности внутренних структурных элементов способствует увеличению преимуществ многофункциональной системы - ведет к уменьшению ее массы и размеров, а часто к упрощению конструкции, уменьшению трудоемкости, а также стоимости изготовления и эксплуатации. Поэтому можно рекомендовать до, в процессе и после объединения объектов в многофункциональное целое проводить анализ возможности интеграции структурных элементов, результаты интеграции и возможность использования новых свойств объекта как для улучшения его характеристик, так и для дальнейшего развития многофункциональности. Естественно, выявленные положительные эффекты целесообразно развивать, а отрицательные предотвращать, нейтрализовать или ослаблять. Кроме того, может оказаться полезным аналогичным образом рассмотреть возможность и результаты интеграции объекта в целом с надсистемой, смежными системами и окружающей средой.

В частности, для повышения эффективности и многофункциональности объекта, полученного путем объединения носителей нескольких функций, целесообразно выявлять в нем свойства, которые могут быть использованы для реализации новых функций, а также анализировать новую совокупность ресурсов объединенных систем:

- какие элементы, ресурсы, связи одной системы могут выполнять функции другой системы?

- какие сочетания элементов объединенных систем могут выполнить новые функции?

- какие сочетания элементов объединенных систем с надсистемой, соседними системами, смежными системами, окружающей средой могут выполнить новые функции?

Для удобства и систематизации анализа можно выделить следующие зоны расположения ресурсов, взаимодействий и взаимосвязей:

- оперативная зона (зона взаимодействия носителя и объекта функции);

- внутри системы;

- ближайшее окружение системы: надсистема, смежные (по взаимодействию) системы, соседние (по местоположению) системы, окружающая среда;

- отдаленное окружение системы: над-надсистемы различных уровней, другие системы, не связанные с рассматриваемой.

Введение этих зон позволяет установить преимущественную очередность анализа и использования ресурсов, взаимодействий и взаимосвязей. Очередность использования интуитивно понятна и естественна: сначала используем то, что лежит близко и что легко взять (малотрудоемко, малозатратно...). Сканируя эти зоны целесообразно выявлять и использовать сначала элементы и связи обладающие запасом, избытком ресурсов энергетических, вещественных, информационных...., причем в первую очередь готовых к применению, полных-достаточных, а затем потенциальных, требующих для приведения их в готовность тех или иных затрат [6]. То, что было бесполезно или даже вредно в обособленной системе, в условиях объединения с другой системой может оказаться весьма ценным ресурсом, в том числе и источником многофункциональности объединенной системы.

Выводы

1. Целью исследования широко используемого на практике явления “многофункциональность” является:

- получение систематизированного знания о явлении “многофункциональность”, доведение его до уровня практических рекомендации по обеспечению многофункциональности и повышению ее эффективности;

- создание базы данных по способам повышения многофункциональности объектов и действий, систем и технологий для улучшения их потребительских свойств и эффективности;

- создание на этой основе информационно-справочных материалов и инструментов для практического использования в различных отраслях человеческой деятельности.

2. Повышение многофункциональности является одной из ведущих тенденцией развития современной техники. Развитие многофункциональности происходит в направлении "От одной функции - к многофункциональности, от многофункциональности - к функциональной полноте".

3. Существует значительное число способов достижения многофункциональности, среди которых: объединение и трансформация носителей функций, повышение динамичности, получение новых функций с использованием новых ресурсов и неиспользованных ранее свойств объектов.

4. К наиболее часто используемым способам повышения многофункциональности относится способ "объединение носителей функций", который имеет несколько подвидов и механизмов реализации, в числе которых: изменение, согласование параметров, интеграция носителей функций, объединение с возможностью разъединения, управляемое объединение-разъединение, использование модульного строения и ресурсов, уменьшение размеров и ресурсопотребления, изменение взаимного положения и др.

5. При объединения носителей функций существенную роль играет интеграция структурных элементов, степень и формы которой весьма многообразны. Повышение степени интегрированности внутренних структурных элементов во многих случаях способствует увеличению преимуществ многофункциональной системы - ведет к уменьшению ее массы и размеров, трудоемкости и стоимости изготовления и эксплуатации.

6. Использование способов повышения многофункциональности целесообразно сопровождать анализом ресурсов и свойств, которые могут быть использованы для улучшения характеристик объектов, в том числе и для дальнейшего повышения их многофункциональности.

Литература [к началу]

1. Основные положения методики проведения ФСА. Методические указания. М., Информ-ФСА, 1991г.

2. Г.С.Альтшуллер. Найти идею. Новосибирск. Наука СО. 1986 г.

3. Г.С.Альтшуллер, Б.Л.Злотин, А.В.Зусман, В.И.Филатов Поиск новых идей: от озарения к технологии. Кишинев. Картя Молдовеняскэ. 1989г.

4. Большой энциклопедический словарь, М., БЭС, 1987.

5. Основы конструирования ракет-носителей космических аппаратов. М. Машиностроение, 1991г., под ред В.П.Мишина.

6. С.В.Вишнепольская, Б.Л.Злотин. Использование ресурсов при поиске новых технических решений. Кишинев, 1986г.