Интервью с Г.С. Альтшуллером

Вопрос: Уважаемый Генрих Саулович, как Вы считаете, что является необходимым условием принципиальной жизнеспособности технических систем?

Ответ: Я сформулировал три условия принципиальной жизнеспособности технических систем:

1. Закон полноты частей системы. Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является наличие основных частей системы и минимальная работоспособность. Полной техническая система является в том случае, если она имеет все необходимое для выполнения своих функций без участия человека. Подавляющее большинство существующих технических систем являются неполноценными. Недостающие части заменяет человек, но по мере развития систем все большее количество функций выполняется машиной, полнота ее увеличивается, человек последовательно вытесняется из машины.

В полной технической системе имеется три функциональных уровня: выполнение основных (выходных) функций, управление ими и обработка информации и принятие управляющих решений.

Вытеснение человека из уровня управления происходит как бы постепенно. Сначала появляются простые механизмы с обратной связью (типа центробежного регулятора), потом — усложненные, вплоть до полной автоматизированной системы, способной принимать решение с оценкой ситуации.

2. Закон «энергетической проводимости системы». Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является сквозной проход энергии по всем ее частям.

Любая техническая система является преобразователем энергии. Отсюда очевидна необходимость в передаче энергии, например, от движителя через трансмиссию к рабочему органу. Передача энергии может быть вещественной (валы, шестерни, рычаги и др.), полевой (магнитное поле и др.) и вещественно-полевой (например, передача энергии потоком заряженных частиц).

3. Закон согласования ритмики частей системы. Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является согласование ритмики (частоты колебаний, периодичности) всех частей системы.

В процессе развития технических систем происходит согласование их подсистем между собой (или с внешней средой). При этом согласовываются: материалы, формы, размеры, ритмика действий и другие параметры (прочность, надежность, долговечность, температура, работа конвейерных линий, подбор материалов для взаимодействующих частей системы производится таким образом, чтобы они не оказывали разрушающего действия друг на друга и т. д.).

Вопрос: Вроде бы убедительно, но есть и примеры, опровергающие Ваши утверждения. Например, термореле, работающее по принципу различных коэффициентов температурного расширения входящих в него элементов.

Ответ: Эффект, который Вы подметили в конструкции термореле, — это так называемое направленное, управляемое рассогласование, имеющее конечной целью согласование в конечном эффекте. Прекрасным примером такого рода направленного (т. е. сознательного) рассогласования являются предварительные напряжения, используемые в конструкциях, изготовленных из композитных материалов, например, железобетона. Поскольку этот материал существенно различно сопротивляется растяжению и сжатию, имеет смысл предварительно, еще до приложения внешнего воздействия, обжать ту зону, которая окажется в дальнейшем растянутой.

Вопрос: А в каком направлении идет развитие технических систем?

Ответ: В направлении увеличения степени идеальности систем. Сущность закона сводится к тому, что система или ее часть приобретают свойство идеальности, т. е. в пределе они как бы не существуют, сохраняя при этом свои функции.

Технические системы развиваются так, что повышается степень их идеальности, причем в пределе они стремятся стать полностью идеальными.

Техническую систему можно считать идеальной, если она не имеет веса и размеров, не затрачивает энергии, работает без потерь времени и полностью выполняет свои функции.

Вопрос: Прокомментируйте, пожалуйста, этот закон увеличения степени идеальности системы.

Ответ: Существование технической системы не самоцель. Система нужна только для выполнения какой-то функции (или нескольких функций). Система идеальна, если ее нет, а функция осуществляется. Закон увеличения степени идеальности универсален. Используя этот закон, можно преобразовать любую задачу и сформулировать идеальный вариант решения, а также проследить за эволюцией развития того либо иного технического объекта.

Вот Вам пример. Шлаки, образующиеся в домнах, сливают и перевозят в огромных ковшах на специальных железнодорожных платформах к шлакоперерабатывающим установкам. Температура жидкого шлака примерно 1 000 °С, но в пути он охлаждается и на поверхности появляется толстая твердая корка, затрудняющая слив шлака. Потери превышают 30 %. Можно использовать крышку, но установка и снятие этой огромной крышки резко осложнили бы весь процесс. Как же быть?

Согласно выведенному закону, идеальный вариант решения состоит в следующем: крышка сама возникает при заполнении ковша и сама исчезает при сливе шлака. Не правда ли, типичная чистейшая абстракция? Однако не торопитесь. Задача впервые была решена изобретателем М. И. Шараповым (а. с. РФ № 420.621). Теплоизоляционная крышка, «сделанная» из шлака, должна существовать только во время его перевозки, т. е. как бы и не существовать. Для этого достаточно вспенить шлак, при этом образуется «крышка» из застывшей пены. При наклоне ковша для слива эта хрупкая «крышка» будет легко разрушена силой жидкого шлака.

Интересно отметить, что изобретения, подобные данному, в силу своей близости к идеальному решению без затруднений внедряются в производство.

Вопрос: А равномерно ли развиваются отдельные части системы?

Ответ: Развитие частей системы идет неравномерно: чем сложнее система, тем неравномернее идет развитие ее частей. Это свойство я назвал законом неравномерности развития частей системы.

Вопрос: Может ли система переходить в другое качество?

Ответ: На это отвечает закон перехода в надсистему. Исчерпав возможности своего развития, система включается в надсистему в качестве одной из ее частей, при этом дальнейшее ее развитие идет на уровне надсистемы.

Переход в надсистему может осуществляться по трем основным путям:

· создание надсистем из однородных (одинаковых) элементов (например, объединение электростанций в единое энергетическое кольцо и др.);

· создание надсистем из конкурирующих (альтернативных) систем (например, парусно-паровые корабли, холодильники-термостаты и др.);

· создание надсистем из антагонистических систем (с противоположными функциями, например, кондиционер как объединение нагревателя с холодильником и т. д.).

Антагонистические системы воспроизводят в своей структуре предысторию своего развития.

Ф. Энгельс в «Диалектике природы» отмечал, что «история развития человеческого зародыша в чреве матери представляет собой лишь сокращенное повторение развивающейся на протяжении миллионов лет истории физического развития низших животных предков, начиная с червя».

Вопрос: Расскажите о законе перехода на микроуровень.

Ответ: Развитие технических систем идет в направлении перехода от макроуровня (систем, состоящих из сложных подсистем, деталей сложной формы) к микроуровню (системам, использующим физические эффекты и связанным со строением материи).

Вот пример из практики автора, иллюстрирующий работу этого закона.

По старой технологии при производстве листового стекла расплавленная стеклянная лента поступала на роликовый конвейер. Передвигаясь по конвейеру, лента выравнивалась, охлаждалась и застывала. Качество поверхности зависело от расстояния между соседними роликами,

т. е. от их диаметра. Чтобы получить возможно более гладкую поверхность, нужны были ролики возможно меньшего диаметра, вплотную придвинутые друг к другу. Но чем меньше диаметр роликов, тем сложнее и дороже конвейер, труднее его эксплуатация. Для получения гладкой поверхности стекла после его охлаждения приходилось прибегать к дорогостоящей полировке.

Однажды ко мне приехал гость — сотрудник организации, занимающейся проектированием линий для получения листового стекла. Мне показалось, что задача проста. Далее произошел такой разговор:

Гость. Это трудная задача, над ней думают и за рубежом.

Я. Ролики должны быть как можно меньше, так ведь?

Гость (терпеливо): Нет, ролики должны иметь оптимальный диаметр, иначе конвейер будет невообразимо сложным.

Я (упрямо): Ролики должны быть как можно мельче! Тогда стекло будет гладким. Но самые маленькие ролики — это молекулы. Или лучше —атомы. Атомы! Вот решение вашей задачи: стекло должно катиться на атомах. Атомы дешевле, не ломаются, дадут идеально ровную поверхность.

Гость (натянуто улыбаясь): Атомы? Интересно... Вы ведь пишите научную фантастику, не правда ли? Я что-то не читал...

Я: Куча атомов—шариков... Расплавленный металл, вот что Вам нужно! Ванна с расплавленным металлом, а по поверхности скользит стекло.

Гость (обиженно): Значит, конвейера не надо вообще, можно закрывать нашу тему? Очень интересно...

Я: Нужен металл с низкой температурой плавления и высокой температурой кипения (тогда не будет паров, это хорошо). Свинец или олово? Пары свинца ядовиты. Значит, олово.

Гость: Олово? Ванна с расплавленным оловом? Конечно, в плане фантастики.

Я (доверительно): Закон есть закон! Идеальные ролики — это, когда роликов нет (закон увеличения степени идеальности). Плюс закон перехода на микроуровень, ролики нужно разбить на атомы...

Гость (поспешно): Извините, я пойду. Не буду вас задерживать. Вот письмо. Может быть, подумаете...

Эпилог. Прошло 8 лет. Снова прибыло письмо от той же организации. В письме упоминалась одна английская фирма. Хитрая фирма повсеместно запатентовала «оловянный» способ, и теперь требовалось найти обходное решение. Я ответил: «Переход от роликов к шарикам- атомам продиктован объективной закономерностью. Обойти закон нельзя. Сегодня надо внедрять и развивать оловянный» способ.

Вопрос: В чем суть закона повышения динамичности и управляемости технических систем?

Ответ: Развитие технических систем происходит примерно в следующем порядке:

· от системы с постоянными параметрами к системам с параметрами, изменяющимися при изменении режимов работы системы, что обеспечивает оптимальность ее функционирования (самолет с изменяемой в зависимости от режима полета геометрией крыла и др.);

· от узкофункциональных систем, предназначенных для выполнения конкретной цели, к широкофункциональным системам, позволяющим изменять функции перестройкой;

· к системам с дифференцированными внутренними условиями (например, требуемые технологией производства температура, давление, газовый состав и др.), при этом условия на «входе» и «выходе» определяются внешней средой и человеком (цеха с инертной атмосферой для обработки сильно окисляющихся материалов и др.);

· к системам с увеличением числа степеней свободы и гибким эластичным (использование в судостроении эластичных покрытий типа «Ламинфло», позволяющим значительно увеличивать скорость корабля, и др.);

· к системам с изменяющимися связями между элементами, в том числе заменой вещественных связей полевыми (дистанционное радиоуправление); использованием вещественных связей, изменяющихся под воздействием поля (электромагнитное перемешивание при непрерывной разливке стали и др.);

· от систем со статической устойчивостью к устойчивым динамическим, т. е. только за счет управления (от трехколесного велосипеда к двухколесному и т. п.);

· к использованию самопрограммирующихся, самообучающихся, самовосстанавливающихся систем.

Следует отметить, что динамичность и управляемость технических систем происходит объективно и вверх: от меньшего к большему. В этом весь смысл.

Вопрос: Говорят о вепольности системы. Как следует это понимать и в чем заключается эта закономерность?

Ответ: Мною сформулирован закон об увеличении степени вепольности системы. Если под вепольностью понимать взаимодействие вещества и поля (различных полей, например, гравитационных, магнитных, силовых и др.), то закономерность здесь проявляется в том, что развитие системы идет в направлении увеличения степени вепольности.

Вводя понятие веполь, использовались три термина: вещество, поле, взаимодействие (воздействие, связь).

Под термином вещество понимаются любые объекты, независимо от степени их сложности: лед и ледокол, винт и гайка, трос и груз—все это вещества.

Взаимодействие — всеобщая форма связи тел или явлений, осуществляющаяся в их взаимном изменении (ледокол ломает лед; винт ввинчивается в гайку; трос поднимает груз).

Сложнее обстоит дело с определением понятия поле. В физике полем называют форму материи, осуществляющую взаимодействие между частицами вещества. В технике термин поле используется шире и приземлённее: это пространство, каждой точке которого поставлена в соответствие некоторая векторная или скалярная величина (температурное поле, магнитное поле и др.).

В функционирующих технических системах управление (взаимодействие) между веществами, входящими в нее, осуществляется с помощью поля.

Нетрудно заметить, что «веполь» является минимальной моделью технической системы, я бы сказал — ее элементом, «веполь» включает изделие, инструмент и энергию (поле), необходимую для воздействия инструмента на изделие.

Таким образом, любую сложную систему можно свести к сумме веполей.

(По аналогии с геометрией, которая утверждает, что любую сложную фигуру можно разбить на треугольники. Зная свойства треугольников, можно производить вычисления, связанные со сложными фигурами. Отсюда, между прочим, особое значение тригонометрии).

Аналогичную роль может играть вепольный анализ в анализе и синтезе технических систем. Записывая условие задачи в вепольной форме, отбрасывают все несущественное, выделяя суть задачи (строим модель задачи): что дано (поле, вещество, воздействие), что надо изменить или ввести.

Вепольная запись позволяет выявить причины возникновения задачи,

т. е. «болезни» технических систем, например, недостроенность веполя.

Таким образом, вепольный анализ служит инструментом проникновения в глубинную суть задачи и отыскания наиболее эффективных путей преобразования технических систем.

Интервью с Е. П. Балашовым

Уважаемый Евгений Павлович. В Вашей монографии [9] сформулированы закономерности совершенствования функционально-структурной организации технических систем.

Вопрос: В каком направлении развиваются системы?

Ответ: В зависимости от сохранения (вложения) отдельных функций развивающихся систем. Это значит, что каждое новое поколение системы данного класса воспроизводит совокупность основных функций предшествующих систем. Поэтому важно изучение прототипов.

Учитывая взаимосвязь и взаимопереходы количественных и качественных характеристик, можно считать, что развитие антропогенных систем идет в направлении расширения или сужения, совмещения или разделения спектра реализуемых функций. Основным источником развития антропогенных систем является борьба диалектических противоположностей — «многофункциональность» и «специализация».

Вопрос: Каким образом по мере развития систем разрешаются противоречия между «новым» и «старым»?

Ответ: Этот закон я сформулировал как закон относительного и временного разрешения противоречий в антропогенных системах.

Противоречия, возникающие в антропогенных системах в процессе развития, разрешаются временно на определенных этапах развития систем конкретного класса и проявляются в дальнейшем в трансформированном виде на качественно новом уровне.

Конструктор при создании конкретного образца системы приходит к определенному компромиссу в выборе количественных значений показателей качества отдельных подсистем, пытаясь уравновесить противоречивые стороны.

Вопрос: Вами сформулирована закономерность повышения функциональной и структурной вещественно-энергетической информационной целостности систем. В чем она заключается?

Ответ: Ответ практически заключен в Вашем вопросе. Остается только добавить, что целостность систем обусловлена возможностью вещественных, энергетических и информационных процессов преобразования, хранения и управления.

В реальных системах процессы преобразования, хранения и обмена веществом, энергией и информацией взаимосвязаны.

Закономерности вещественно-энергетической целостности подтверждаются новейшими исследованиями. Так, в начале 1980-х гг. при исследовании так называемого эффекта Степанова удалось доказать возникновение электромагнитного излучения практически при любой динамической деформации тела.

Следует отметить, что в правильно спроектированных системах все процессы идут в едином ритме. Условие ритмики должно соблюдаться не только внутри системы, но и при ее взаимодействии со средой.

Баланс и гармония во всем—характерные черты совершенства функционально-структурной организации систем.

Вопрос: А в чем принцип многофункциональности систем?

Ответ: Принцип многофункциональности устанавливает взаимосвязь изменения функции и структуры многоуровневых систем в процессе их развития, а также определяет основные тенденции и этапы развития антропогенных систем.

Анализ эволюции антропогенных систем показывает, что по мере развития систем, усложнения и расширения реализуемых ими функций наиболее эффективными и жизнеспособными являются системы, в которых расширение функциональных возможностей элементов находится на различных уровнях иерархии системы, опережает рост их сложности.

Вопрос: А закономерность преемственности в технических системах?

Ответ: Закономерность преемственности в функционально-структурной организации многоуровневых систем заключается в том, что, исчерпав возможности развития, данная система становится составной частью новой системы. Дальнейшее ее развитие идет на уровне подсистемы. В этом черта диалектического отрицания как преемственная связь настоящего с прошлым.

Вопрос: Всеобщее представление о диалектическом единстве и противоположности функции и структуры системы вроде бы не нуждается в пояснении. И, тем не менее, Вами сформулировано это единство в плоскости адекватности функции и структуры. Как Вы ее представляете?

Ответ: Закономерность адекватности структурной организации назначению системы я представляю себе таким образом, что максимальное соответствие структуры реализуемым функциям обеспечивает максимальную эффективность системы.

Вопрос: Распространено понятие эффективность системы. Вами устанавливается новое понятие — ее качество. В чем здесь общность и в чем разница?

Ответ: Сущность закономерности, которую я назвал взаимосвязью и взаимосвязанностью качественных показателей системы, заключается в том, что если под качеством системы понимаются такие ее параметры, как энергоемкость, эффективность, то оказывается, что за повышение одного из показателей часто приходится «расплачиваться» (ухудшать его качество) другими.

Основные показатели качества систем—характеристика производительности труда, энергетические характеристики, характеристики надежности и эффективности, экономические показатели—взаимосвязаны и взаимозависимы.

Улучшение одной группы показателей качества, например, повышение производительности, неизбежно приводит к ухудшению других—увеличению потребляемой энергии, усложнению конструкции, снижению надежности и т. д.

Вопрос: Вы приводите закон диалектического уравновешивания, сформулированный А. А. Денисовым и Д. Н. Колесниковым [65]. В чем его суть?

Ответ: В том, что развитие системы идет в направлении уменьшения количественных характеристик их противоречия. Возникновение новой антропогенной системы подчиняется в каждый момент времени принципу наименьшего действия. Движение к равновесию происходит по пути наименьшего сопротивления, более «выгодного», с минимальными отклонениями от оптимального пути.