Задержки и остановки в развитии технических систем


 
В Теории Решения Изобретательских Задач (ТРИЗ) принято, что все Технические Системы (ТС) проходят стадии развития по «линии жизни» /1/. В предыдущей работе /2/ мы показали, что «линии жизни» для отдельно взятых параметров (качественные кривые) не всегда имеет классическую S-образную форму и что наблюдаются задержки и остановки в повышении значений этих параметров, вызванные различными причинами. Последующая дискуссия показала, что эти вопросы требуют более подробного рассмотрения. Целью представленной работы является рассмотрение возможных причин, вызывающих задержки в развитии ТС.
Традиционно, причиной остановки в увеличении наиболее важного параметра системы считалось достижение им физических пределов развития. Однако, как правило, системы достигают своих предельных значений (которые, в свою очередь, обычно бывают ниже теоретических) очень редко. Основной причиной задержек в развитии ТС среди прогнозистов считается появление различных «технических» барьеров /3/. Причиной остановок в развитии также являются надсистемные ограничения, включая различные ограничения законодательного характера. Самым известным примером такого «социального барьера» является ограничение скорости движения паровых омнибусов /4/.
Рассмотрим следующую ситуацию. Есть хорошая система, которая достигла определенных параметров, доказала свою эффективность, и стала интенсивно развиваться. Но иногда, когда параметры системы устраивают потребителей (рынок), то главные параметры системы перестают расти! Такая ситуация отнюдь не наше открытие. Это положение, которое специалисты называют «good enough» и давно известно в научном мире.
Для иллюстрации рассмотрим развитие паровозов. На Рис. 1А приведены данные по росту скоростей различных локомотивов. Конечно, скорость не является единственной характеристикой этого вида транспорта, но отражает тенденции его развития. На зависимости «скорость-время» для этой системы после подъема, начавшегося в 1820 г.г., наблюдается явная «ступенька» в районе 1860-1890 г.г.
 
Рис. 1. Зависимость роста скоростей паровозов (А) /5/ и длины железнодорожных путей (В) в США /6/ от времени.
На Рис. 1В приведены данные по росту длины железнодорожных путей в США, где видно, что в это же самое время произошло заметное увеличение длины железнодорожных путей в США. Это также сопровождалось значительным ростом производства и качества стали, которая использовалась железнодорожным транспортом.
То есть, получается парадоксальная ситуация: длина дорог растет, количество паровозов (и, следовательно, объем перевозок) тоже, а их скорость не изменяется. Более подробно процессы развития железнодорожного транспорта рассмотрены в статье [7].
Попробуем найти аналогичные случаи в других областях техники. Например, удельная эффективность свинцово-кислотных батарей интенсивно повышалась с момента их появления на рынке и до начала массового применения во время I Мировой Войны (См.  Рис. 2). Однако примерно с 1915 и почти до 1950 года эффективность этого вида аккумуляторов практически не изменялась, после чего стала быстро расти вновь.
 
Рис. 2. Зависимость эффективности различных аккумуляторов (Вт*ч/кг) от времени их производства /8/.
По сходному сценарию происходило, развитие способов передачи информации. Скорость передачи информации по металлическим проводам интенсивно росла с 1960 по 1970 гг, но практически остановилась в 70-80 г.г., хотя внутренние резервы для ее роста еще были, поэтому он продолжился после 1984 г. (См.  Рис. 3).
 
Рис. 3. Зависимость скорости передачи информации (Бит/с) различных носителей информации от времени их производства [9].
Скорость передачи по оптичесим волокнам оставалась почти постоянной с 1985 по 1995 г.г. и лишь затем снова стала расти, а скорость беспроводной передачи имела задержку в развитии в период 1991-1995 г.г.
Но информацию, как и энергию, требуется не только передавать, но и хранить. Основными носителями информации до недавнего времени являлись магнитная лента, а также магнитные и оптические диски. Правда сейчас серьезную конкуренцию им стали составлять различные устройства с т.н. «твердотельной» памятью.
После бумажных перфокарт и перфолент первым широко используемым носителем стала магнитная лента. Темп роста ее объемной емкости снизился в 1970 г., но затем с 1988 опять увеличился. Похожие задержки наблюдаются и у других видов носителей (См. Рис. 4).
 
Рис. 4. Зависимость объемной емкости (Мбит*с/см3) различных носителей информации от времени их производства [10]. Данные для магнитной ленты (1), магнитных (2) и оптических (3) дисков.
То есть, для совершенно разных систем наблюдается сходное явление: задержки, или остановки в увеличении их главного параметра после периода интенсивного роста. Причем, эти задержки не вызваны исчерпанием ресурсов роста, то есть не являются физическими пределами развития. После некоторого периода «застоя», или даже падения значения главного параметра характеристики системы опять начинают рост.
В этот период «стагнации» развитие ТС продолжается: в частности, происходит также их удешевление, как за счет массового выпуска, так и за счет различных усовершенствований. Вероятно, что именно такие задержки вызывают появление т.н. «седла» на зависимости продаж от времени (этот эффект впервые попытался количественно учесть Басс /11/ в своей «диффузной» модели).
Можно предположить, что такая остановка в развитии имеет причины, связанные с развитием Надсистемы. Действительно, Надсистема «рельсы-шпалы» ограничила возможности роста скорости паровозов. Кстати, до сих пор скорость 120-150 км/ч является предельной для обычных составов. Новые поколения локомотивов, которые достигли скоростей более 300 км/ч, используют специально проложенный для них рельсовый путь, а более скоростные поезда используют другие виды пути, например магнитную подвеску /12/. Следует также отметить, что именно в 1860-90-е годы, наряду с остановкой роста скорости паровозов, наблюдалась также остановка в повышении эффективности паровых двигателей /13/.
Но мы полагаем, что дело здесь не только в ограничениях со стороны Надсистемы. Дело в том, что в начале ХХ века после длительного застоя рост скоростей паровозов продолжился и практически совпал с появлением конкурирующего вида наземного транспорта – автомобилей (См. Рис. 5).
 
Рис. 5. Зависимость скорости паровозов (А) и автомобилей (В) от времени их производства [14].
Казалось бы, появление автомобиля в качестве нового и перспективного конкурента паровозов должно было негативно отразиться на характеристиках последних. Однако, вопреки таким ожиданиям, как раз с появлением первых коммерческих автомобилей (конец 1890-х годов) паровозы стали наращивать скорость. То есть, конкурент (автомобиль) не начал сразу угнетать старую систему, а напротив – сначала заставил ее развиваться. Данный эффект также не является нашим открытием – он был описан, в частности, Д. Сахалом /15/.
Рост эффективности свинцово-кислотных аккумуляторных батарей также начался лишь в 50-х годах, практически вместе с появлением Ni/Cd батарей. В свою очередь эти батареи также затормозили рост своей эффективности около 1985 года и опять начали расти только при появлении новых конкурентов – Ni/Mh и Li-ion (См. Рис. 2).
Рост скорости передачи информации продолжился после появления оптических волокон и беспроводной связи (См. Рис. 3).
Объемная емкость носителей на основе магнитной ленты, которая была в свое время основным видом внешней памяти, перестала расти еще до того момента, когда жесткие диски сравнялись с ними по емкости. Однако после этого события, рост емкости магнитных лент возобновился. Аналогично, носители на основе оптических дисков также снизили темпы роста емкости на несколько лет и продолжили его только после того, как их нагнали конкурирующие системы (См. Рис. 4).
В ТРИЗ часто используют аналогии с животным миром. К сожалению, эти аналогии не всегда используются корректно. Самой распространенной ошибкой является прямой перенос количественных параметров (численности популяции) на качественную зависимость изменения параметров системы от времени. Классификация таких зависимостей была сделана в работе /16/. Несомненно, количество систем коррелирует с их параметрами, но эту аналогию следует использовать более осторожно.
Другой ошибкой является некритичное распространение понятия естественного отбора на технические системы. Несомненно, элементы естественного отбора в технике присутствуют. Так, например, понятие «нравится-не нравится потребителю» достаточно сложно однозначно определить, как искуственный отбор. Но в основном работает именно искуственный отбор, что подтверждается объективностью развития техники /17/.
Сейчас среди ТРИЗ-специалистов очень популярна версия о том, что более успешная система отбирает ресурсы у «неудачников» /18/. На наш взгляд эта идея, позаимствованная из биологии, где она оказалась в ряде случаев вполне работоспособной, для Технических Систем не вполне корректна. Действительно, железные корабли вытеснили деревянные не потому, что кончились леса...
Например, на Рис. 6 представлен пример развития двух видов инфузорий.
 
Рис. 6. Рост численности инфузорий-туфелек при совместном (А) и при раздельном содержании в пробирках (В): 1 – парамеция хвостатая, 2 – парамеция ушастая /19/.
При раздельном развитии (См. Рис. 6В) популяции этих инфузорий растут до пределов, определяемых количеством ресурсов (питания). При совместном содержании в условиях ограниченных ресурсов один из видов, скорость размножения которого выше, вытесняе менее приспособленный, отбирая у него ресурс (См. Рис. 6А). Подобные зависимости наблюдаются и в технике, например при вытеснении /20/ устройств памяти DRAM более емкими вариантами.
Однако, взаимодействие видов не ограничивается конкуренцией. В биологии приняты следующие виды взаимодействий /21/:
·         Нейтрализм - ни одна популяция не влияет на другую.
·         Конкуренция, непосредственное взаимодействие - прямое взаимное подавление обоих видов
·         Конкуренция, взаимодействие из-за ресурсов - непрямое подавление при дефиците внешнего ресурса
·         Аменсализм - популяция 2 подавляет популяцию 1, но сама не испытывает отрицательного воздействия
·         Паразитизм - популяция-паразит 1 состоит из меньших по величине особей, чем популяция 2
·         Хищничество - особи хищника 1 обычно крупнее, чем особи жертвы 2
·         Комменсализм - популяция 1, комменсал, получает пользу от объединения; популяции 2 это объединение безразлично
·         Протокооперация - взаимодействие благоприятно для обоих видов, но не обязательно
·         Мутуализм  - взаимодействие благоприятно для обоих видов и обязательно
В биологии встречаются случаи, когда, даже при наличии достаточного количества ресурсов, одна из систем угнетает другую, например из-за более быстрого размножения, или за счет большей устойчивости к накапливающимся отходам жизнедеятельности. Но в рассмотренных случаях проявляется некий аналог комменсализма, когда появление новой системы «подстегивает» развитие «старой» ТС. Но происходит это не из-за непосредственного влияния «новой популяции», а из стремления инженеров улучшить шансы старой системы в конкурентной борьбе.
Таким образом, вопреки биологической аналогии «молодые» системы не начинают отбирать ресурсы у «старых» сразу же после появления. Это не удивительно, поскольку, как правило, «новые» системы используют другие виды ресурсов (бензин вместо угля). Но главный ресурс – деньги потребителей, все равно остается общим.
Напротив, «старые» системы не просто начинают улучшать свои характеристики, они иногда угнетают развитие конкурентов. Аналогом в биологии может служить плесень, которая уничтожает конкурентов, выделяя пенициллин. Точно также сейчас автомат Калашникова (АК) не дает развиваться альтернативным системам. Например, автомат Никонова (Абакан) превосходит АК по точности, но уступает по надежности. Причем «старая» система в этом случае не просто улучшала свои характеристики, она активно заимствовала некоторые достижения конкурентов. Поэтому после введения в АК динамической балансировки, заимствованной у конкурентов, замена стрелкового вооружения в России перестала быть актуальной /22/. Однако, это подразумевает, что такая система должна быть способна к восприятию таких усовершенствований.
В живой природе, в отличие от техники, подобные явления в естественных условиях наблюдаются обычно только на очень больших («геохронологических») масштабах времени, поскольку эволюция биологических видов в естественных условиях является обычно весьма длительным процессом.
Но иногда наблюдаются случаи, когда значения главного параметра «старой» системы не только стабилизируется, но даже уменьшаются. Традиционно считается, что такой сценарий соответствует четвертому, последнему этапу развития ТС, после которого она имеет только один вариант дальнейшего «развития» - исчезновение с рынка. Однако это не всегда бывает так.
Рассмотрим такой вид транспорта, как морские пассажирские суда. Размеры океанских лайнеров росли в течении длительного периода. Но в 50-80-х годах прошлого века произошло падение водоизмещения, то есть размеров лайнеров и количества перевозимых пассажиров. При этом размеры и общее количество судов в мире интенсивно возрастали, то есть развитие системы «морское судно» в целом продолжалось. Продолжала увеличиваться и скорость лайнеров (См. Рис. 7). А с 1960 г. после длительного перерыва возобновился и рост водоизмещения лайнеров – ниже мы к этому феномену еще вернемся.
 
Рис. 7. Зависимость грузоподъемности (А) и скорости пассажирских лайнеров (В) от времени их производства [23].
Подобная задержка и уменьшение параметра наблюдалась и в изменении эффективности традиционных (линейных) люминисцентных ламп (См. Рис. 8). Попробуем объяснить такое поведение ТС.
 
Рис. 8. Зависимость эффективности (Лн/Вт) люминисцентных ламп традиционных (1) и компактных (2) от времени их производства [24].
Как следует из графика, традиционные люминисцентные лампы (линейные) продолжили рост своей эффективности только после появления своего конкурента – т.н. «компактных», или «энергосберегающих» ламп (См. Рис. 8). Причем, термин «энергосберегающие» для таких ламп не вполне корректен. Дело в том, что их эффективность уступала традиционным люминисцентным лампам. Однако, такие лампы были созданы как альтернатива не люминесцентным лампам, а обычным лампам накаливания, и использовали их надсистему за счет стандартного подключения к сети. А вот по отношению к лампам накаливания они действительно позволяли сохранять энергию. Но здесь мы сталкиваемся с другим явлением: выходом давно существовавшего «нишевого» товара на массовый рынок с использованием ресурсов старой системы.
Вернемся к предыдущему примеру. Как уже было отмечено ранее, водоизмещение лайнеров в какой-то период времени упало (См. Рис. 7А).
 
Рис. 9. Зависимость водоизмещения пассажирских лайнеров (А) и дальности полета пассажирских самолетов (В) от времени их производства /25/.
Это было вызвано тем, что большинство крупных пассажирских судов эксплуатировалось тогда на самом популярном - трансатлантическом маршруте. С появлением пассажирских самолетов, способных пересечь Атлантический океан (~5000 км), потребность в таких лайнерах исчезла (См. Рис. 9В). Новый рост размеров лайнеров стал возможен только после изменения их предназначения – они стали использоваться для круизов, то есть перешли в другую нишу. Кстати, значительное количество новых моделей самолетов имеет дальность, необходимую именно для трансатлантического маршрута. Это отвечает явлению сегментации ТС /26/. Следующий сегмент – это беспосадочные транспацифические перелеты (12000 км).
При рассмотрении количественных характеристик ТС пока не удалось найти примеров снижения параметров системы без изменения ее предназначения. В биологии вытеснение видов в другую нишу на коротких промежутках времени не отмечено, зато есть примеры смены организмом ниш в процессе индивидуального развития /27/, в том числе и со снижением большинства или даже всех характеристик внешней активности организма (например, в стадии окукливания). На более длительных промежутках времени уход в нишу наблюдается и у биологических видов – например, у кистеперых рыб, сохранившихся до наших дней в естественной среде только на больших глубинах, а ранее жившие и на мелководье.
ВЫВОДЫ
1.      Показано, что задержки в развитии характеристик технических систем могут вызываться следующими причинами:
·         Временные проблемы в развитии. Эти проблемы решаются в рамках существующей ТС улучшением ее элементов и/или изменением взаимосвязей между ними.
·         Надсистемные ограничения (экономика, безопасность и т.д.). Они могут приводить к длительным задержкам развития, которое, однако, может быстро возобновиться после снятия указанных внешних ограничений.
·         Ситуация, когда главные параметры системы удовлетворяют большинство потребностей Надсистемы («good enough») и начинается массовый выпуск этих продуктов (рост рынка). Возобновление роста ключевых характеристик системы в этой ситуации обычно бывает связано с появлением новых конкурирующих с нею систем, обладающих лучшими характеристиками.
2.      Если система прекратила рост своих ключевых характеристик, не достигнув объективного их предела, то такая задержка развития является чаще всего временной, хотя и может быть достаточно длительной. Улучшение параметров системы возобновляется, как правило, при появлении системы-конкурента с лучшими характеристиками. До тех пор попытки усовершенствования системы чаще всего остаются невостребованными рынком.
3.      Если остановка развития системы связана с достижением ее ключевыми характеристиками своих объективных пределов, то после этого она может какое-то время оставаться еще востребованной, но с появлением систем-конкурентов с лучшими характеристиками либо исчезает, уступив им в конкурентной борьбе, либо уходит в какую-либо сравнительно узкую нишу.
4.      «Старая» система, которая доминирует на рынке, дабы ее доминирование не оборвалось, должна быть восприимчива к решениям, которые реализуются в системах-конкурентах. Возможность перенимать такие решения может существенно продлить жизненный цикл системы.
5.      Выход на новый этап развития может быть связан с переходом системы в другую «нишу», т.е. с изменением ее предназначения. В зависимости от конкретной ситуации, новая ниша может быть как ỳже, так и шире прежней; в последнем случае можно говорить о «выходе из ниши» - явлении, в ТРИЗ пока что недостаточно изученном, но реально наблюдаемом в развитии ТС.
 
Для подтверждения сделаных выводов были исследованы данные по развитию 83 самых различных ТС, взятые из 94 литературных источников.
 
Списокиспользованныхисточников
1. Альтшуллеp Г.С., Злотин Б.Л., Зусман А.В. ПОИСК НОВЫХ ИДЕЙ: ОТ ОЗАРЕНИЯ К ТЕХНОЛОГИИ (теория и практика решения изобретательских задач), Кишинев, "Каpтя Молдовеняскэ", 1989
2. Alexander Kynin, Vasily Lenyashin, Naum Feygenson / S-Curve as a Model for Description of Technical System Development The 1st International Conf. on Systematic Innovation 2010.01.22-25
3. Дж. Мартино (JOSEPH P. MARTINO) -ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ (Перевод с английского: Technological Forecasting for Decisionmaking NEW YORK - 1972)-1977
5. Further information: Land speed record for railed vehicles http://en.wikipedia.org/wiki/High-speed_rail,
6. Growth of the Railroad Network in the United States G. Lloyd Wilson and Ellwood H. Spencer //Land Economics, Vol. 26, No. 4 (Nov., 1950), pp. 337-345.
7. Кынин А.Т. Леняшин В.А., Фейгенсон Н.Б. /3. Рост и развитие транспортных систем. 3.3 НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ 04.02.2010 http://www.metodolog.ru/node/452
8. Heebyung Koh, Christopher L. Magee A functional approach for studying technological progress: Extension to energy technology Technological Forecasting & Social Change (2007)
9. Ashish Sood and Gerard J. Tellis Understanding the Seeds of Growth: Technological Evolution and Product Innovation http://www.marshall.usc.edu/emplibrary/wp04-04.pdf
10. H. Koh, C.L. Magee Historical storage devices' performance data in information storage / Technological Forecasting & Social Change 73 (2006) 1061-1083
11. F. Bass "New Product Growth Model for Consumer Durables" "MANAGEMENT SCIENCE", №15, P. 215-227 https://ccnet.stanford.edu/cgi-bin/course.cgi?cc=msande238&action=handout_download&handout_id=ID12120774612626
12. Кынин А.Т. Леняшин В.А., Фейгенсон Н.Б. /3. Рост и развитие транспортных систем. 3.3 НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ 04.02.2010 http://www.metodolog.ru/node/452
13. Кынин А.Т. 2. РЕСУРСЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ http://www.metodolog.ru/node/341
14. Кынин А.Т. Леняшин В.А., Фейгенсон Н.Б. /3. Рост и развитие транспортных систем. 3.3 НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ 04.02.2010 http://www.metodolog.ru/node/452
15. Д. Сахал  Технический прогресс: концепции, модели, оценки Москва, «Финансы и статистика» 1985 г. /  Devendra Sahal.  Patterns of Technological Innovations New York University 1981 Addison – Wesley Publishing Company, Inc. Reading, Massachusetts 01867, USA
16. Кынин А. , В. Леняшин, Н.Фейгенсон. / ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ОПИСАНИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ВДОЛЬ «ЛИНИИ ЖИЗНИ» (A.T. Kynin, V.A. Leniashin, N.B. Feygenson “Selection of parameters to describe the development of technical systems along the «life line»” )// TRIZ-Fest 2009, 27-30 July, Sankt-Petersburg, RUSSIA http://www.metodolog.ru/01697/01697.html
17. Кынин А.Т. / ЗАКОНОМЕРНАЯ СЛУЧАЙНОСТЬ: РАНО, ИЛИ ПОЗДНО? / Discovery Журнал №6-2009,С.20-26.
18. А. Любомирский, С. Литвин ЗАКОНЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
19. Г.Ю.Ризниченко МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДВУХ ВИДОВ. http://www.library.biophys.msu.ru/LectMB/lect09.htm
20. NADEJDA M. VICTOR and JESSE H. AUSUBEL DRAMs as Model Organisms for Study of Technological Evolution /Technological Forecasting and Social Change 69(3):243-262, 2002
21. В.Вольтерра: «Математическая теория борьбы за существование». М.. Наука, 1976
22. Автомат Калашникова http://ru.wikipedia.org/wiki /
23. Кынин А.Т. /3. Рост и развитие транспортных систем: 3.2. ВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ 28.01.2010 http://www.metodolog.ru/node/445
24. Кынин А.Т. РАЗВИТИЕ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА http://www.metodolog.ru/01228/01228.html
25. Кынин А.Т. / 3. Рост и развитие транспортных систем: 3.4 ВОЗДУШНЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТРАНСПОРТ / 2010.02.12 http://www.metodolog.ru/node/456
26. Кынин А.Т. / СЕГМЕНТАЦИЯ S-КРИВЫХ 2010.01.14 http://www.metodolog.ru/node/428
27. Ниши, которые мы выбираем http://batiskaf.ua/articles_id_446.html

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Комментарии