Д. Сахал Технический прогресс: концепции, модели, оценки. Часть 2
Часть 2 http://www.metodolog.ru/node/833
Технология системы есть функция от ее размеров и масштабов ее применения, при этом само понятие масштаба Сахал интерпретирует в максимально широком смысле. При этом:
- Развитие технологий позволяет изменить ее масштабы – увеличить мощность турбины, дальность полета самолета, вместимость, грузоподъемность и т.п.
- Рост требований применения – увеличения мощности и т.п. ведет к изменению масштабов технологий
- Технические сдвиги могут потребовать изменений масштаба не всей системы, а одного из ее компонентов или процессов.
Сахал пишет:
Всю конструкторскую деятельность можно в значительной мере свести к учету масштабных эффектов. При этом эффективность технологии при данных единичных масштабах не гарантирует своего сохранения при более или менее существенном изменении масштабов В процессе разработки новой технологии центральная роль отводится выбору масштаба. Решение технических проблем, например, связанных с передачей тепла, импульса, определением массы и силы и т.п. сильно зависит от выбранных масштабов. Для любой технологии существуют верхние и нижние границы относительно безболезненного изменения масштабов, за пределами которых будут происходить существенные ухудшения технологии. Здесь очень важна теория подобия и критерии подобия.
Для нормального функционирования конкретных систем, основанных на специфических принципах работы всегда существуют как верхние так и нижние предельные масштабы, вне которых нарушается устойчивость и/или эффективность работы системы. Эффект масштаба очень сильно действует когда система достигает некоторых критических размеров, при которых начинают действовать иначе или появляются новые нелинейные эффекты. Причем изменение работы системы может произойти плавно или более или менее резким скачком.
Например, предельный размер электростанции определяется уровнем риска аварии. Увеличение мощности электрического генератора уменьшает его устойчивость к возмущениям, значит нужно тратить намного больше средств на системы защиты. Высота небоскреба лимитируется непропорционально большим процентом объема занимаемого лифтами и вспомогательными помещениями.
Добавим когда-то поразивший меня пример: Огромным препятствием в создании тяжелогрузных космических ракет стали резонансные частоты вибрации крупных оболочек, близкие к частоте вибраций сопла ракеты. Для преодоления этого барьера пришлось очень сильно менять как конструкции корпусов, так и двигателей.
Сахал пишет:
Не меньше проблем вызывает и сильное уменьшение размеров систем. Сильное снижение веса машины может привести к непредсказуемым вибрациям, уменьшение размеров электронных компонентов к трудности отвода выделяющегося тепла, с маленькой клавиатурой телефонов трудно обращаться и т.п.
Некоторые технологические сдвиги могут определяться не общим изменением масштабов а изменением масштаба по одной компоненте, например, массовости производства. Одна из важных масштабных характеристик – масштаб затрат.
В процессе развития системы нередко возникают изменения масштабов, которые в начале развития совершенно не ожидаются. Железные дороги появились чтобы обеспечить потребный на тот момент объем перевозок. Чего никто не ожидал, так это огромнейшего роста этих объемов. А рост был вполне обоснованный – оказалось что именно рост возможности перевозок обеспечивает получение высших преимуществ от концентрации любого производства – от добычи ископаемых до сельского хозяйства. Это спровоцировало создание крупных специализированных хозяйств, ферм, плантаций и т.п.
Возникла положительная обратная связь – возможность перевозок обеспечила возможность локального крупномасштабного производства, а его наличие стало обеспечивать перевозки...
Сахал пишет:
Рост системы в размерах сопровождается обязательно изменением форм, так как при пропорциональном росте объем (а значит вес) вес растет как куб линейных размеров, а поверхность (а значит, теплообмен, диффузия и т.п.) – как квадрат. Отсюда крупные предметы чаще имеют продолговатую и изогнутую форму чем мелкие. Изменение масштабов ведет к нарушению геометрического подобия для сохранения физического подобия, или, наоборот, к нарушению физического подобия при сохранении геометрического.
Изменение размеров системы приводит к нескольким взаимосвязанным процессам суть которых в основном сводится к нарушению некоторых критериев подобия для сохранения других критериев подобия:
· Дифференциация и непропорциональный рост подсистем, приводящий к необходимости новых согласований между элементами, изменению ее структуры.
Например для моделирования прямолинейного движения судна не слишком сложно соблюсти критерий подобия Рейнольдса. А вот если нужно моделировать поворот судна, то надо удовлетворить двум критериям подобия – Рейнольдса и Фруда, а это принципиально невозможно, так как скорость (связанные с нею постоянные времени) входит в эти уравнения в разной степени.
· Рассогласование системы с обслуживающими их людьми - для удобства человека, работающего с системой или управляющего ею, условия его деятельности не должны существенно меняться с изменением масштабов системы
· Изменение формы системы и ее элементов. Например, крупные объекты часто имеют криволинейные и вытянутые формы, позволяющие маневрировать соотношением «поверхность – объем». Пропорции ребенка другие чем взрослого, бассейны больших рек имеют тенденцию к увеличению относительной длины устья, высокие деревья имеют другое отношение высоты к площади сечения чем низкие и т.п.
· Изменение функционирования системы, вклада разных процессов в ее функционирование. Например, в гидродинамике для сохранения подобия процессов (физического подобия) приходится нарушать подобие геометрическое.
· Изменение материалов, условий их работы и требований к ним
· Увеличение сложности системы
Очень опасен неожиданный, непредусмотренный выход системы за допустимые границы изменения масштабов, при котором работа системы может стать неустойчивой в тех или иных режимах, а ее создатели или пользователи этого не знают. Такое часто случается при применении систем в новых для них областях или условиях.
Для сохранения работоспособности систем при изменении масштабов важно сохранение их автомодельности – тождества системы самой себе, внутренних пропорций между частями и между частями и целым. Причем важная проблема – во многих случаях эта автомодельности обязательно нарушается так как физически невозможно пропорционально изменить все параметры, при изменении масштабов.
Три главных класса технологических сдвигов, связанных с изменением единичного масштаба технологий:
· Сдвиги, улучшаемые изменением масштаба. Внедрение пневматических шин на с/х тракторах стало возможным благодаря постепенному сокращению размеров колес, которое было реализовано в попытках усилить тягу колес на слабых почвах.
· Сдвиги, необходимые в силу изменения масштабов. Внедрение сдвоенных задних колес, дополнительных приводов на передние колеса и приводов на все колеса стало необходимым в силу роста размеров и массы машин.
· Сдвиги, связанные с изменением масштаба не самой технологии а ее надсистемы
- Период 1900 – 1920 – создание надежной конструкции трактора, когда это было достигнуто – главным стало расширение спектра операций, создание универсального трактора.
- К 1908 году разработано два типа тракторов - колесный и гусеничный - во многом повторяющих самоходный паровой трактор конца 19 века.
- В 1913 году появилась безрамная конструкция и соединила в одном унифицированном узле шестерни передачи, бортовой привод, корпус муфты сцепления, и картер двигателя.
- В основном все изготавливалось из дешевого чугунного литья, собиралось на конвейере. Это стало возможно благодаря появлению высокой техники прецизионной обработки металла, изменившей схему производства, превратившей из преимущественно литейного в механическое.
- К 20 годам сложилась основная конструкция, не менявшаяся потом более двух десятилетий. Типичный трактор - Фордзон 8,9 лошадиной силы, вес 2700 фунтов, скорость пахоты – 3 мили в час стал массовым с 1917 когда его начали распространять через сеть дилеров Форда. 1918 год – 25% рынка, 1925 – 75% рынка.
- До 20 годов основное применение тракторов – крупные бензиновые машины приспособленные для работы на крупных зерновых фирмах Среднего Запада с плоским рельефом. В двадцатых, с появлением универсальной машины рынок резко увеличился, охватил мелкие, менее специализированные фермы.
- Началось постепенное, не очень сильное модифицирование базовой модели. Были постепенно введены принудительная смазка под давлением, возможность легкой замены изношенных деталей, герметическая передача, многожиклерный карбюратор, воздухоочиститель, электрическое освещение, улучшенные материалы (сплавы, стали, антифрикционные материалы и т.п.). Несколько позже появились узел отбора мощности, резиновые шины, закрытая кабина.
- Дальнейшее развитие тракторов происходило благодаря накоплению опыта реального их применения, массового производства, изучения особенностей выращивания разных сельскохозяйственных культур, специфики почв, топографии и т.п. Это позволяло оптимизировать величину клиренса, ширину колеи, положение центра тяжести, радиус поворота, точки прицепа орудий спереди, сзади, снизу и т.п.
- Приспособление достигалось изменением машины а не системы земледелия, куда более инерционной. Но постепенно и развитие трактора стало все сильнее влиять на систему земледелия, и чем дальше, тем больше.
Развитие трактора как «стального коня», замещающего лошадей при пахоте - самой трудоемкой операции в сельском хозяйстве - стимулировало его постоянное совершенствование. И дало деньги на активное развитие, позволило переходить к многоцелевым универсальным тракторам. В частности:
- Началось превращение трактора в шасси, на котором монтируются разные орудия, а это дало новый толчок развития всему тракторостроению.
- На базе легкого и удобного универсального трактора, создавались разные специализированные устройства вроде культиватора.
- Огромную роль сыграли устройства отбора мощности, позволяющие задавать прицепным орудиям «собственное функционирование».
- Первое устройство для отбора мощности для сельскохозяйственной машины появилось в 1878 г.
- В 1906 было сконструировано устройство, позволяющее производить как вертикальное так и горизонтальное движение приводного орудия относительно трактора. 1918 на основе этого механизма построена сноповязалка.
- 1922 – начало широкомасштабного коммерческого применения систем отбора мощности к всем видам сельскохозяйственных работ – предпосевная обработка почвы, сев, культивация, борьба с сорняками, жатве и т.п..
- Следующий шаг развития позволила сделать трехточечная сцепка запатентованная в 1926 году и сделавшая возможным управление навесными орудиями. Теперь объединились два ранее независимых механизма – трактор и орудие, упростилась интегрированная система, стало возможно новое совершенствование и того и другого.
- В 1929 году внедрен гидравлический подъемник, обеспечивший возможность поднимать орудия в конце ряда и легко поворачиваться, переходить на другое поле без отцепления орудий и т.п..
- К 1934 году уменьшили размеры задних колес, что позволило использовать резиновые шины и повысить усилие сцепления. Потом было внедрено заполнение шин водой – баластом и амортизатором, затем – раствором хлористого кальция – антифризом.
- К сороковым годам возможности технологии были практически исчерпаны, система вышла на плато.
- В 1947 году управление навесными орудиями было существенно улучшено с помощью гидравлической системы.
- В 1953 на тракторах было внедрено рулевое управление с усилителями и сделана всепогодная кабина.
- С 48 по 68 средняя мощность выросла более чем в 2 раза (с 27 до 60 л.с.) но появились малые садово-огородные трактора для небольших ферм.
В книге Сахала есть рассмотрение истории и некоторых других систем, очень полезное для любого, занимающегося ТРИЗ.
Сахал описывает критический сдвиг в сельском хозяйстве Египта в результате «современной агрикультуры».
Традиционное земледелие существовало эффективно тысячелетия. Оно было двухурожайным, основанным на бассейновом методе, связанном с разливами Нила. Каналы подводили воду к полям, а насыпи задерживали воду на некоторое время, в результате вода уходила в землю а ил осаживался и удобрял почву. Подготовка к посеву требовалась очень незначительная. Не происходило засоления почвы, потому что вода уходила глубоко.
В период английского владычества с 1882 по 1914 (всего около 30 лет) были приняты меры для повышения урожаев и снятия вместо двух – трех урожаев. Был осуществлен переход от бассейнового метода ирригации к круглогодичному орошению и соответствующими севооборотами. С помощью системы дамб и систем каналов существенно увеличили орошаемые площади, локально подняли уровень реки и обеспечить подачу воды и в засушливые летние месяцы, что позволило интенсифицировать сельское хозяйство, снимать 3 урожая в год и увеличить сами урожаи. Но только вначале все было отлично, а со временем привело к катастрофе. Земля, не успевающая восстановить плодородие между сборами урожая начала быстро истощаться. Высокий уровень подпочвенных вод активизировал засоление почвы и стал вызывать отмирание корней растений из-за недостатка кислорода для их дыхания. Интенсивное использование земли способствовало активизации размножения паразитов и насекомых, что увеличило частоту и тяжесть заражения паразитами растений, людей и животных.
Сегодня такое происходит во многих случаях при «силовой агротехнике» - см. Книгу Джеймс Скотт. «Благими намерениями государства. Почему и как проваливались проекты улучшения условий человеческой жизни».
Однако, Сахал отнюдь не кусок «гринписа» - он понимает, что развитие технологий неостановимо и благодетельно для людей, но его надо вести достаточно осторожно, без амбиций типа « мы не можем ждать милостей от природы, но и она пусть на милость не рассчитывает»
Анализ развития понимания эволюционных процессов в технике показывает три основные направления развития этих представлений:
- Эволюция по Сахалу – пассивное видение развития или С-процесс
- Эволюция по Альтшуллеру – полу-активное видение развития или А-процесс
- Директед Эволюшен – активное управление развитием или ДЕ процесс
Работы Альтшуллера и Сахала по эволюции происходили независимо и примерно в одни и те же сроки, судя по всему, они не знали ничего о работах друг друга. (Об Альтшуллере это мне точно известно из личного с ним общения, о полном незнании Сахалом о работах Альтшуллера свидетельствуют его публикации).
Рассмотрим подробнее разные эволюционные процессы:
Сахал только описывает некоторые процессы эволюции, но не дает рекомендаций по ее улучшению. При этом его описание охватывает не всю эволюцию систем а лишь ее некоторую, правда, очень важную часть. Сахал ищет простые функциональные соотношения, напоминающие по форме законы (законоподобные). В самом деле он ищет именно некоторые законы развития но «стесняется» об этом говорить видимо из-за негативной реакции своего научного окружения. Этот поиск он ведет двумя путями:
- Выявление на анализе истории развития простых и логичных, понятных, повторяющихся событий и связей между ними (качественный анализ)
- Анализ различных доступных баз данных (чаще всего – достаточно случайных) статистическими методами. Полученные результаты, на наш взгляд только затрудняют чтение и мешают пониманию, но ничуть не улучшают приведенные в книге результаты, никак не помогают ни пониманию процессов ни практическому использованию. Эта непростая работа явно выполнялась «с целью повышения научности».
Ниже описаны основные подходы Девендры Сахала к рассмотрению эволюционных процессов, представляющие интерес для тех, кто хотел бы использовать эти знания для реального управления процессами эволюции..
- Развитие системы начинается с появления некоторой «Большой идеи». Не интересуется вопросом откуда взялась «Большая идея» - от гения или другим путем. Она берется как данность.
- Рассматривается подробно развитие систем после появления новой «Большой идеи» типа изобретения паровой машины, автомобиля, трактора, самолета, турбореактивного самолета и т.п. На базе рассмотрения истории развития этих реальных систем делаются выводы:
- Через некоторое время после появления «Большой идеи» появляется множество попыток ее реализации, среди них большинство неудачных, незаконченных, непринятых рынком, но в конце концов появляется «переломная точка» - некоторая эффективная конструкция, становящаяся базой для дальнейшего развития на многие годы вперед.
- Дальнейшее развитие «базовой конструкции» идет преимущественно путем малых шагов – улучшений, как правило не слишком творчески сложных и каждое по отдельности достаточно мало значимых для системы. При этом основные изменения связаны друг с другом и в той или иной степени зависимы друг от друга, открывают дорогу для дельнейших улучшений и иногда их провоцируют, вынуждают
- Реальное значение для развития имеет только кумулятивный эффект – накопление множества малых изменений постепенно меняющих весь облик системы.
- Имеется 4 основных источника развития системы:
- Обучение производителей, то есть накопление опыта реальной эксплуатации системы, формирование на этой базе петли обратной связи – заданий и требований к дальнейшим улучшениям
- Возникновение в процессе развития размерных (масштабных) эффектов или «барьеров развития» при изменении размеров системы, ее сложности, и/или объемов ее производства и применения
- Изменения системы при переносе технологий в новые области применения, который всегда является сложным творческим процессом из-за несовместимости культур (социальных и технологических) разных предприятий и областей применения
- «Созидательный симбиоз» (аналог гибридизации). Слияние двух технологий упрощает общую схему устройства, тем самым устраняя или отодвигая пределы, ограничивающие его эволюцию и обеспечивает развитие системы в сторону упрощения
- Основные развивающие изменения всегда вносятся производителем системы или теми, кто осуществляет перенос технологий. Но цель этих изменений обычно вовсе не развитие в целом, с дальним видением, а только «сделать следующий шаг», обеспечивающий получение некоторой немедленной или хотя бы близкой выгоды.
- Развитие систем принципиально медленно так как:
- Петля обратной связи инерционна, сигналы от потребителей к производителям доходят далеко не сразу и действуют только когда накопится достаточное количество примеров. Это более всего замедляет развитие.
- Требуется немало времени чтобы малые изменения были придуманы приняты к проверке, проверены, согласованы с другими изменениями, привели к выпуску машины в которых они внедрены
Альтшуллер в рамках созданной им Теории решения изобретательских задач строит систему законов развития, определяющих общее направление развития (в процессе развития ТРИЗ эта система законов довольно сильно менялась и продолжает уточняться и развиваться и сегодня в работах ТРИЗ и I-TRIZ специалистов).
Работу по выявлению законов Альтшуллер ведет путем анализа изобретений высокого уровня из патентного фонда. То есть анализируются изобретения, создающие «Большие идеи», порождающие принципиально новые системы или новые генерации систем. При этом практически оставляются вне внимания мелкие изобретения и улучшения (на которые в основном ориентирован Сахал). Считается, что работа с такими проблемами сводится к обычным инженерным знаниям и навыкам и не является частью ТРИЗ
Базируясь на изобретениях высокого уровня Альтшуллер выявляет в истории повторяющихся события и находит простые, логичные и понятные связи между ними (качественный анализ).
Эволюционная позиция Альтшуллера (никогда специально не сформулированная, но вытекающая из смысла и духа его работ):
- Знание законов развития позволяет направлять и координировать развитие реальных систем. Система законов у Альтшуллера не управляет непосредственно развитием и не создает (в силу общности и абстрактности формулировок) специальных инструментов для управления развитием. Зато она служит как бы картой, улучшающей «навигацию в пространстве развития технологий» позволяющую разработчику видеть не только близкие, сиюминутные, но и дальние цели, представлять весь путь возможного будущего развития системы
- Управление развитием в ТРИЗ сводится в основном к выявлению и разрешению противоречий, возникающих в процессе развития и мешающих дальнейшему развитию системы, то есть к целенаправленному решению эволюционных задач
Идеи Директед Эволюшен созданы направленно и сознательно Б. Злотиным и А. Зусман при активном участии многих коллег, входивших ранее или входящих сегодня в «Кишиневскую школу ТРИЗ» или ее продолжение – команду I-TRIZ (IdeationTRIZ). База для разработок Директед Эволюшен:
- В первую очередь работы Альтшуллера
- КнигаСахала «Patterns of Technological Innovations”
- Книги Тоффлера и других прогнозистов - «исследователей будущего»
- Работы по самоорганизации нелинейных систем – синергетика, нелинейная динамика, аутопоэзис и т.п.
- Книги и статьи по истории техники, науки, социального развития и биологической эволюции
Работа по выявлению законов в ДЕ ведется только методами качественного анализа на базе реальной истории эволюции, то есть внедренных инноваций (а отнюдь не патентов, многие из которых никогда не внедряются), причем без всякой опоры на такую условную характеристику как «уровень изобретения. Кроме того, подробно рассматривалась также эволюция социальная и биологическая.
Проводится работа по выявлению не только общих и достаточно абстрактных законов развития, но также нескольких уровней «под-законов», «закономерностей», «линий развития» тенденций и трендов развития и т.п., которые могут служить непосредственными рабочими инструментами улучшения систем а также изучение различных видов «эволюционных ресурсов» обеспечивающих принципиальную возможность и реальное осуществление эволюции.
Причем целью работ является не столько построение некоторых научных концепций и теорий (это для нас вторичный результат), сколько реальное применение методов управления развитием. Поэтому все выявленные закономерности (порядка 600) и методы управления развитием собраны в специальном софтвере, обеспечивающем удобство использования и компьютерный анализ причинно-следственных связей (DirectedEvolution® Soft).
Эти инструменты использовались более чем в сотне крупномасштабных проектов для крупнейших компаний в разных странах. В частности работы по ДЕ были проведены для компаний Форд, Фуджи, Ром & Хаас, Амоко, Дельта Энерджи, С.Си. Джонсон, Проктор и Гэмбл, Копперт и многих других больших, средних и даже мелких компаний - всего более 100 проектов Директед Эволюшен или Экспресс Директед Эволюшен.
Управление развитием ДЕ включает:
- Целенаправленный сбор (с помощью специальных вопросников) необходимой информации о рассматриваемой системе и ее эволюции а также о надсистемах в которые она входит и их эволюции
- Причинно следственный анализ функционирования и эволюции рассматриваемой системы с помощью специального софтвера «Проблем формулятор».
- Выявление влияющих на систему движущих и тормозящих эволюционных сил и механизмов эволюции. Использование при необходимости для выявления этих механизмов методики «AFDFailureAnalysis»
- Проведению с помощью законов и линий эволюции, а также эволюционных ресурсов анализа прошедшего развития и прогнозирование на его базе принципиально возможных будущих вариантов развития
- Проведение с помощью методики «AFDFailurePrediction» прогноза возможных нежелательных вариантов развития и/или возможных вредных или нежелательных последствий позитивного в целом развития.
- Выбор (по тем или иным критериям или соображениям) из числа спрогнозированных вариантов развития желаемых
- Формулирование и решение изобретательских задач направленных на:
- Обеспечение развития системы в желаемом направлении
- Своевременное выявление отклонений (негативных и позитивных) от «запрограммированного» развития, корректировка действий, направленных на управление развитием и/или целей развития
- Предотвращение возникновения предвидимых нежелательных и вредных эффектов
- Решение вторичных задач, возникающих в процессе развития
- Обеспечение «дожимания» или многокритериальной оптимизации развивающейся системы, включая:
- «Перфектизация» системы или «развитие по Сахалу», - обеспечение множества малых изменений и улучшений, обеспечивающих кумулятивный эффект нарастающей перфектности системы
- Радиальная адаптация системы в разные ниши со специализацией по этим нишам
- Повышение адаптивности системы для ее ниши, включая повышение динамичности, управляемости, согласованности, «интеллектуальности» и т.п. системы
- Свертывание (упрощение) систем
- Гибридизацию систем
