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.