Пример 4.63. Поисковые системы
Информацию в Интернете ищут с помощью специальных поисковых систем, например, поисковой машины Google. Программа поисковой машины самостоятельно изучает запросы и впоследствии предоставляет клиентам информацию, более подходящую для каждого из них. Например, предоставляет информацию, к которой чаще всего обращаются.
Самоорганизующаяся система – это система, которая способна синтезировать модель структуры системы в зависимости от ее предназначения и окружающих ее условий. Она разрабатывает алгоритм работы системы, проектируя систему управления, и по синтезируемой модели создает саму систему из имеющихся элементов. Такая система способна перестроить структуру системы, чтобы приспособиться к внутренним или внешним изменениям. В простейшем случае система способна изменить связи между подсистемами, а в сложнейшем случае заменять, добавлять или изменять подсистемы для создания структуры, способной наилучшим образом выполнить необходимые функции.
Основное отличие самоорганизующейся системы от самонастраивающейся системы заключается в том, что в первой в процессе приспособления преобладают качественные изменения, а во второй – количественные.
Пример 4.64. Самоорганизующийся робот
В лаборатории вычислительного синтеза Корнельского университете (США) разработали опытный образец робота, способного синтезировать свою структуру в зависимости от окружающих его условий и обстоятельств воспроизвести себя из универсальных элементов – кубиков.
На поверхности кубиков имеются электромагниты, с помощью которых они могут соединяться и разъединяться друг с другом; питание подводится через контакты на поверхности монтажного стола.
Первоначально робот создает свою модель и по ней синтезирует систему управления, что осуществляется в результате ограниченного количества физических экспериментов (это поисковая самонастраивающаяся система).
Алгоритм работы робота позволяет ему функционально компенсировать механические повреждения в результате коррекции собственной модели.
Саморазвивающаяся система – это самообучающаяся, способная не только накапливать знания, но и развивать систему в соответствии с поставленными целями по определенным закономерностям.
Пример 4.65. Саморазвивающаяся компьютерная система
В патенте США 5 072 406 описана саморазвивающаяся компьютерная система, память которой содержит блоки инструкций, специальных знаний и базовых данных. Блок специальных знаний включает знания конкретной области и стратегию их использования. Блок базовых данных включает знания по использованию инструкций.
При поступлении входного сигнала он обрабатывается и перепроверяется по всем блокам с учетом имеющихся инструкций и базовых данных, вырабатывая выходной сигнал. При выявлении новых знаний они заносятся в блок специальных знаний. В процессе деятельности блок специальных знаний может изменять инструкции, постоянно развивая компьютерную систему.
Самовоспроизводящаяся система – это самоорганизующаяся, саморазвивающаяся система, способная создать подобную себе систему.
Основное отличие самоорганизующейся системы от самовоспроизводящейся системы заключается в том, что в первой используются готовые подсистемы, а во второй – их изготовляет сама система.
Самовоспроизводящиеся системы, прежде всего, характерны для живых организмов. Клетка сама себя воспроизводит. Не малую роль в этом играют стволовые клетки.
Пример 4.66. Самовоспроизводящаяся машина
Доктор Adrian Bowyer из университета Ванны в Великобритании разработал машину «RedRap» (Replicating Rapid-prototyper), которая 29 мая 2008 г. в 14:00 воспроизвела свою копию. Пластмассовые детали для этой машины изготовлялись на 3D принтере, встроенном в машину.
4.5.4. Закономерность увеличения степени динамичности
Закономерность увеличения степени динамичности является основным из законов эволюции систем (рис. 4.37).
Рис. 4.37. Структура закономерностей эволюции систем
Развитие системы идет в направлении увеличения степени динамичности.
Динамичная система может изменять свои параметры, структуру (в частности форму), алгоритм, принцип действия и функции, чтобы наиболее эффективно достичь поставленной цели и удовлетворить потребность. Динамическая система в своем развитии может менять так же цель и потребность, приспосабливаясь к внешним и внутренним изменениям.
Изменения могут происходить:
– во времени;
– по условию.
Следствия из закона:
1. Статические системы стремятся стать динамическими;
2. Системы развиваются в сторону увеличения степени динамичности.
Приведем пример на увеличения степени динамичности.
Пример 4.67. Электронная книга
Первоначально книга представляла собой свиток, как правило из папируса или пергамента.
В дальнейшем книги делались из отдельных листков бумаги, скрепленных вместе переплетом. Их стало удобнее читать, и они занимали меньше места. Для получения бумаги необходимо уничтожать лес. Они много весят, занимают много места на полках и пылятся.
Далее книги слали переводить в электронный вид и читали с экрана компьютера. Такие книги не использовали бумагу, занимали мало места и не пылились, в одном компьютере можно иметь большую библиотеку, но появились неудобства, связанные с процессом чтения, – не везде удобно читать с компьютера, например, в кровати. В дальнейшем появились лэптопы, миникомпьютеры и планшеты. Их легко переносить и удобно читать в любом месте. Общий недостаток компьютеров – не все любят читать с экрана. Кроме того, чтение с экрана портит зрение, так как экран излучает свет, который непосредственно направлен в глаза.
Выпустили электронную книгу (e-book reader), в которую можно загружать много книг.
Такие книги используют электронную бумагу (electronic paper), в которой используются электронные чернила (e-inc). Электронная бумага отражает свет, так же как обычная книга, поэтому не портит зрение.
Увеличение динамичности происходит изменением динамичности параметров, структуры, алгоритма и принципа действия, функции, потребности и цели, которое может происходить во времени, в пространстве и по условию.
Степень динамичности увеличивается переходом от изменения динамичности параметров к изменению динамичности структуры, алгоритма, принципа действия, функции, потребности и цели.
Основная линия увеличения степени динамичности показана на рис. 4.38.
Изменение параметров системы – это наиболее простой способ увеличения степени динамичности системы с целью ее адаптации к внутренним и внешним изменениям.
Изменяться может любой параметр системы, например, электрические параметры (величина тока, напряжения, сопротивления и т. д.), оптические параметры (длина волны, яркость, освещенность и т. д.), акустические параметры (амплитуда и частота звука и т. п.), механические параметры (эластичность, жесткость, вязкость, число степеней свободы и т. д.).
Рис. 4.38. Линия увеличения степени динамичности
Пример 4.68. Оперативные запоминающие устройства – ОЗУ (RAM)
Оперативные запоминающие устройства – ОЗУ (RAM) созданы для хранения информации в цифровом виде. ОЗУ работает, пока на микросхему подается питание. После отключения питания информация теряется.
В дальнейшем были созданы динамические ОЗУ (DRAM). С их помощью сократили время обмена информацией (запись и считывание). Динамические ОЗУ построены на электронных приборах с зарядовой связью. Информация хранится на паразитных конденсаторах (емкостях) транзисторов, как пакеты зарядов. Они обладают высокой скоростью обмена информации (пакетов зарядов), но не способны хранить ее длительное время (<1 мс).
Для решения этой задачи в DRAM осуществляется непрерывная циклическая перезапись (обновление) информации. Это пример изменения параметров во времени.
Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения структуры системы – это более сложный способ сделать систему динамичной, чем изменение параметров. Под изменением структуры мы понимаем и изменение формы объекта.
Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения алгоритма работы.
Пример 4.69. Микросхемы
Разработали программируемые логические интегральные схемы – ПЛИС (Field Programmable Gate Arrays – FPGA). В отличие от обычных цифровых микросхем логика работы ПЛИС не создается при изготовлении, а устанавливается посредством ее программирования.
ПЛИС представляет собой набор элементов, расположенные в виде матрицы. Между элементами расположены соединительные трассы, представляющие собой программируемые ключи, соединяющие необходимые блоки. Пользователь может создать нужную для него структуру, программируя определенную логику.
Таким образом, данная микросхема позволяет менять ее внутреннюю структуру и алгоритм работы в зависимости от функции, которую необходимо выполнять. ПЛИС можно перепрограммировать под новую функцию.
Это пример изменения структуры, алгоритма и функции по условию (принцип работы или изменение принципа работы).
Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения ее принципа действия.
Пример 4.70. Обрабатывающий центр
Обрабатывающий центр – это станок с числовым программным управлением (ЧПУ), предназначенный для последовательного выполнения нескольких технологических операций различными инструментами по заданной программе. В качестве инструмента могут быть использованы: резец, фреза, сверло, плазма, лазер и т. п. При переходе к следующей операции станок меняет инструмент, а, следовательно, и принцип действия и алгоритм работы.
Это пример изменения структуры, алгоритма и принципа действия по условию (переход к другой операции).
Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения выполняемой функции.
Пример 4.71. Мобильный телефон
Современный мобильный телефон выполняет много различных функций.
Это пример изменения алгоритма, принципа действия и функции по условию, выполняя ту или другую потребность владельца.
Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения потребностей.
Пример 4.72. Компьютер
Компьютер является наиболее развитой динамической системой. Трудно перечислить все функции, которые он выполняет, и потребности, которые он удовлетворяет.
Это пример изменения алгоритма, функции и потребностей по условию (желание владельца).
Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения целей.
Пример 4.73. Беспилотный самолет
Беспилотный самолет может изменить цель своего полета в зависимости от изменения обстоятельств. Например, перейти от наблюдения к боевым действиям.
Это пример изменения цели по условию.
Система тем динамичнее, чем она более управляемая.
Динамичность системы повышается с увеличением скорости и точности адаптации к внешним и внутренним изменениям.
Скорость увеличения динамичности повышается с учетом изменений не только определенного параметра, а и его производных.
Идеально, когда система заранее готова к изменениям, т. е. имеет способность заранее прогнозировать изменения. С этой целью система должна использовать и/или выявлять и использовать тенденции, закономерности и законы развития системы, надсистемы и окружающей среды.
Точность адаптации может быть увеличена, если в законе управления системой учитывается интеграл от всех изменений или ведется учет предыдущих изменений.
Пример 4.74. Система управления
Системы управления для объектов с быстро изменяемыми параметрами должны управляться не только по самому сигналу, но и по его первой, второй или более высоким производным.
При длительной работе системы в закон управления желательно вводить интеграл управляемой величины для повышения точности управления.
Статические системы достаточно устойчивы, но не мобильны. Мобильные системы часто не устойчивы. Для придания системе максимальной мобильности и устойчивости ее выполняют динамически статичной.
Динамическая статичность системы осуществляется за счет постоянного управления максимально мобильной системой.
Пример 4.75. Велосипед
Двух колесный велосипед устойчив только в процессе движения. Это динамическая устойчивость или динамическая статичность. Еще менее устойчив одноколесный велосипед.
4.5.5. Закономерность перехода на микроуровень
Закономерность перехода системы на микроуровень является основной из закономерностей эволюции систем (рис. 4.39).
Рис. 4.39. Структура закономерностей эволюции систем
Закономерность перехода системы на микроуровень заключается в том, что система в своем развитии стремится перейти на микроуровень. Чаще всего это относится к рабочему органу.
Микроуровень условное понятие. В работе участвуют все более глубинные структуры вещества, например, использование нанотехнологий. При этом используются физические, химические, биологические и математические эффекты.
Классическими примерами перехода системы с макро- на микроуровень являются часы, вычислительная техника и электроника.
История развития часов насчитывает тысячелетия.
Пример 4.76 Часы
Первоначально время определяли по звездам, в дальнейшем изобрели солнечные часы. Затем появились водяные, песочные и огненные часы.
Впоследствии их заменили механическими часами. Башенные часы были заменены карманными и ручными. Происходил процесс миниатюризации, но принцип действия их практически не изменился – колебание маятника и использование шестеренок, пружин и т. д.
Первый качественный скачек в переходе на микроуровень осуществился с изобретением кварцевых часов. В них в качестве колебательной системы стали использовать кристалл кварца. Маятник заменили кристаллом. Сигнал от кварцевого генератора поступает на шаговый двигатель, который приводит в действие механическую часть часов.
Таким образом, в кварцевых часах на микроуровень перешел только рабочий орган, остальные части электромеханические, т. е. работающие на макроуровне. Типичный пример закона неравномерности развития систем.
Окончательный переход на микроуровень произошел с появлением электронных часов, где исчезли все механические части. Циферблат в них работает или на светодиодах, или на жидких кристаллах.
Позже появились атомные часы, где в качестве источника колебаний используется сигнал перехода электрона между двумя энергетическими уровня атома.
Еще один яркий пример перехода с макро- на микроуровень является история развития вычислительных машин.
Пример 4.77. Вычислительная техника
Первая вычислительная машина (антикитерский механизм) была создана в Древней Греции. Она датируется 150—100 г. до н. э. Это механическая аналоговая вычислительная машина для расчета астрономических позиций. Машина также позволяла производить операции сложения, вычитания и деления.
Известны счетное устройство Леонарда да Винчи, суммирующая машина Паскаля и другие.
Принцип действия этих машин механический. Они состояли из валов и шестерен. Постепенно эти части уменьшались в размерах и был разработан арифмометр. Их заменили электромеханические вычислительные машины. Механические части двигались с помощью электрических двигателей.
На следующем этапе была разработана вычислительная машина на вакуумных лампах.
Далее были использованы транзисторы, а затем и микросхемы.
Сегодня процессор содержит миллиарды транзисторов. При их изготовлении используется нанотехнологии.
Это типичный пример перехода на микроуровень.
На мироуровень перешел рабочий орган компьютера – процессор, но до сегодняшнего дня еще остались части, использующие механику, например, жесткий диск, DVD Rom, вентиляторы. Это пример закона неравномерности развития систем.
Имеются тенденции перехода этих частей на микроуровень.
Используются жесткие диски с флэш-памятью. Все чаще используются не DVD диски, а флэш-память. Вентиляторы могут быть заменены элементом Пельтье и тепловыми трубами.
Пример 4.78. Микро-роботы
Инженеры из Университета Ватерлоо изобрели летающего микро-робота. Для перемещения из одной точки пространства в другую он использует магнитное полеЗемли. Этот микро-робот весит 0,83 грамма. Робот оснащен несколькими крошечными электромагнитами, создающими вокруг робота трехмерное параболическое магнитное поле17.
Швейцарские ученые разработали устройства, способные уничтожать раковые клетки, не повреждая их здоровых «соседей». Более того, ботов можно запрограммировать на активизацию стволовых клеток разрядом электричества – такая технология позволит лечить поврежденные или разорванные мышцы18.
Американские и китайские биохимики создали нанороботов из нитей ДНК, способных опознавать раковые клетки и лишать их пищи, создавая тромбы в соседних кровеносных сосудах19.
Компания Ролс-Ройс представила проект разработки микророботов предназначенных для автоматизированной диагностики состояния авиационных двигателей и их ремонта. Таким образом Ролс-Ройс улучшает свои двигатели и оптимизирует затраты на ремонты и обслуживание20.
Микро-роботы улавливают радиоактивные загрязнения.
Металлоорганические каркасы используют для захвата, отделения, удаления и извлечения радиоактивного урана из воды. Эти соединения способны удерживать внутри своих пор различные атомы и вещества, в том числе радиоактивный уран. К ним добавили «микродвигатель» ZIF-8 диаметров в 15 раз меньше человеческого волоса, позволяющий молекуле улавливать радиоактивные загрязнения и удерживать их внутри себя.
В структуру добавлены атомы железа и наночастицы оксида железа, чтобы стабилизировать ее и сделать магнитной. Размещенные на конце стержней каталитические наночастицы платины превращают перекись водорода в воду, выделяя при этом пузырьки кислорода. Они приводят в движение «микророботов», заставляя двигаться по течению и преодолевать расстояние в 60 раз большее их собственной длины.
Опыты показали, что за один час они удалили 96% урана в имитируемых радиоактивных сточных водах. После этого наночастицы собрали с помощью магнита и из них выделили чистый уран. По словам специалистов, эта разработка может помочь не только в устранении отходов, но и в их переработке21.
4.5.6. Закономерность перехода системы в надсистему
Закономерность перехода системы в надсистему является основным из законов эволюции систем (рис. 4.40).
Рис. 4.40. Структура закономерность эволюции систем
Закон перехода системы в надсистему разработан Г. С. Альтшуллером [25, С. 90—96]. Он его сформулировал следующим образом:
«Исчерпав ресурсы развития, система объединяется с другой системой, образуя новую, более сложную систему».
Системы объединяются в надсистему не только, когда исчерпали ресурсы своего развития, поэтому мы переформулировали закон.
Системы объединяются в надсистему, образуя новую, более сложную систему.
Пример 4.79. Самолет
Были объединены двигатель, крылья, система управления, корпус (фюзеляж) и шасси. Появилась новая система – самолет. Каждая из указанных частей в отдельности летать не могла. Новая система – самолет получила системное свойство – возможность летать.
Это одна из возможностей перехода системы в надсистему. Другая возможность:
Переход системы от монофункцинальной к полифункцинальной.
Пример 4.80. Смартфон
Первоначально телефон представлял собой монофункциональную систему. Функция телефона – передача звукового сигнала на расстояние. Смартфон – это многофункциональная (полифункциональная) система, которая выполняет практически все функции компьютера и телефона.
Еще больше функций у Smart Watch.
Такой вид перехода в надсистему первоначально осуществляется выявлением более общей функции, а затем придания дополнительных функций, при этом часто использует новые технологии.
Пример 4.81. Классная доска
Существует классная доска, на которой пишут мелом. Основная ее функция – оставлять на доске изображения мелом. Более общая функция – оставлять на доске изображения чем угодно.
Существуют классные доски, на которых пишут фломастерами. Можно писать на больших листах бумаги, например, фломастером.
Затем появились доски, которые печатают на бумагу, все, что изображено на доске.
Можно проектировать изображение на экран с помощью проектора, соединенного с компьютером. Сегодня существуют электронные классные доски или интерактивные доски (interactive whiteboard), представляющие собой сенсорный экран со встроенным компьютером, динамиками, веб-камерой, встроенной библиотекой, Интернетом. На них можно писать пальцем и передавать это изображение на другие компьютеры, кроме того, можно видеть и человека, пишущего на этой доске.
Опишем тенденцию объединения систем (рис. 4.41).
Рис. 4.41 Тенденция объединения систем
Первоначально имеется одна – моносистема. Далее объединяют две исходные системы, при этом получатся бисистема. На следующем этапа объединяют три и более систем, образуется полисистема. Следующий этап развития, когда би- и/или полисистемы образуют новую единую систему (моносистему), которая выполняет все функции, входящих в нее систем. Эта операция называется свертывание.
Переход «моно-би-поли» – неизбежный этап в развитии всех технических систем.
После объединения систем в би- или полисистему происходит некоторое изменение новой системы, требующие согласования (п. 4.5.7) составных частей и параметров системы. При этом сокращаются вспомогательные элементы, и устанавливается более тесная связь между отдельными системами. Такие системы называются частично свернутыми. Дальнейшее развитие приводит к полностью свернутым системам, в которых один объект выполняет несколько функций.
Полностью свернутую систему можно представить, как новую моносистему. Ее дальнейшее развитие происходит по новому витку спирали. Иногда в качестве новой моносистемы может выступать частично свернутая система.
Механизмы объединения элементов
Создание надсистемы путем объединения в би- и полисистему может включать следующие виды элементов или систем (рис. 4.42):
1. Однородные:
1.1. Одинаковые;
1.2. Однородные элементы со сдвинутыми характеристиками.
2. Неоднородные:
2.1. Альтернативные (конкурирующие);
2.2. Антагонистические – инверсные (элементы с противоположными свойствами или функциями);
2.3. Дополнительные.
Рис. 4.42. Схема механизма тенденции перехода МОНО-БИ-ПОЛИ
Полностью схема закона перехода системы в надсистему представлена на рис. 4.43.
Рис. 4.43. Общая схема объединения систем
Объединение производится таким образом, что полезные (необходимые) качества отдельных элементов складываются, усиливаются, а вредные взаимно компенсируются или остаются на прежнем уровне. Объединение такого типа возможно, как для достаточно высокоразвитых систем, как и для простых элементов.
