Противоречия, относящиеся к одной системе, обычно взаимосвязаны, вытекают одно из другого, являются звеньями одной причинно-следственной сети. Этим объясняется возникновение сверхэффектов, когда разрешение одного из ключевых противоречий может привести к существенному усовершенствованию всей системы. Учитывая сложность системы противоречий, важно найти среди них главное, центральное, ограничивающее развитие системы и разрешить его.
При первоначальном рассмотрении задачи нередко противоречия не видны, а на поверхности лежит только тот или иной недостаток, ограничение, одна сторона противоречия. Например, нередко бывает и так, что противоречия как будто бы нет, а есть «непреодолимое ограничение». Такие ситуации возникают вследствие одностороннего подхода к системе, и пока этот подход не изменится, задача действительно неразрешима. Поэтому нужно в первую очередь осознать ограничение как одну из сторон противоречия, найти его вторую сторону, сформулировать его и найти приём разрешения.
Работа по выявлению и разрешению противоречий для неподготовленного к этому человека трудна и психологически дискомфортна так как требует работы с высокими уровнями неопределённости и нарушает привычную линейную «модель мира». Поэтому формирование «небоязни противоречий» привычки к их формулированию и разрешению резко повышает творческую эффективность человека и его защиту от стрессов неопределённости.
§11. Закон развёртывания – свёртывания
Развитие систем идёт путём развёртывания и свёртывания.
Повышение идеальности систем осуществляется путём развёртывания (увеличения количества и качества полезных функций за счёт усложнения системы), и свёртывания (упрощения системы при сохранении или увеличении количества и качества полезных функций).
Процессы развёртывания и свёртывания чередуются, частично перекрываясь, а иногда и действуя параллельно (например, когда при общем развёртывании системы отдельные её подсистемы могут свёртываться, и наоборот).
Развёртывание системы начинается с момента её появления, то есть создания функционального центра – минимальной цепочки из подсистем (элементов), способных в совокупности выполнить основную функцию системы, и продолжается сначала в рамках существующей конструктивной концепции, а затем и при её изменении.
Функциональный центр создаётся путём объединения ранее самостоятельных систем (со своими функциями) и подсистем, специально созданных для работы в новой системе и обеспечения в совокупности с первыми получения нового системного свойства. При этом объединяются системы, дополняющие действие друг друга, а также компенсирующие (устраняющие, не допускающие) вредные явления. Все звенья основной функциональной цепочки должны быть минимально жизнеспособны и связаны между собой.
Развёртывание идёт от функционального центра к периферии системы и предусматривает включение дополнительных подсистем, повышающих качество основных функций, компенсирующих недостатки, расширяющих возможности. Увеличивается число уровней иерархии за счёт дробления системы, перехода к сетевой структуре. Также развёртывание происходит путём объединения нескольких систем, чтобы создавался дополнительный полезный эффект.
Свёртывание идёт, как правило, в обратном направлении – от периферии системы к её функциональному центру (от вспомогательных, сервисных, защитных и т. п. подсистем, системообразующих элементов и т.п.). Свёртывание проходит три последовательных этапа: минимальное, частичное и полное.
Минимальное свёртывание системы – создание связей между исходными подсистемами, обеспечивающих появление системного эффекта при минимальном их изменении. В большинстве случаев связи носят временный характер, возможен возврат исходных систем к самостоятельному функционированию.
Частичное свёртывание – изменение подсистем с целью упрощения, подгонки друг к другу, при этом улучшается работа основной системы: уменьшаются потери, повышается надёжность и т. п. Усиливаются связи между подсистемами, но возможность их выхода из системы нередко ещё сохраняется, правда, с понижением эффективности работы.
Полное свёртывание – полное изменение подсистем, установление между ними неразрывных связей. Система становится более простой, выход из неё бывших подсистем становится невозможным. На этом этапе система со всеми её подсистемами, связями и т. д. часто заменяется «умным» веществом, выполняющим нужные функции за счёт использования разных физических, химических и других эффектов.
Процесс свёртывания включает использование всех видов ресурсов и предусматривает исключение дублирования функций подсистем, их передачу специализированным подсистемам, совмещение подсистем, слияние их функций, переход от последовательных технологических процессов к параллельным, совмещение технологических операций, упрощение внутренней структуры системы и её подсистем, исключение отдельных элементов и операций, укрупнение элементарных подсистем.
Полностью свёрнутая система может продолжать развитие, включаться в различные надсистемы, снова развёртываться в ходе повышения идеальности. Свёртывание, как правило, сильнее изменяет исходную систему, чем развёртывание, даёт решения более высокого уровня, хотя практически может быть более сложным из-за усиления внутрисистемных связей, замедляющих проектирование и отладку.
§12. Закон расширения набора используемых уровней строения материи
Развитие систем идёт в направлении расширении набора используемых уровней строения материи.
При появлении и развитии систем есть тенденция перехода к использованию все более глубинных уровней строения материи. Одновременно с этим, происходит и переход к все большему количеству совместно используемых различных уровней. Возможности, даваемые обоими тенденциями позволяют осуществлять более масштабные проекты на крупных, (в т.ч. космических) уровнях строения материи.
Во всем многообразии окружающего мира можно выделить ряд уровней строения систем, каждый из которых характеризуется размерами типовых элементов, видом связи между ними, а также преобладающими эффектами и явлениями:
– Мегасистемы космического уровня: гравитация и излучения Солнца, космические лучи и частицы и т. п.
– Системы планетарного уровня: климатические зоны, океаны, континентальные плиты, климат, солнечное излучение и т. п.
– Подсистемы планетарного уровня: моря, озера, реки, леса, степи, пустыни, залежи ископаемых ресурсов, ураганы, океанские течения и т. п.
– Крупномасштабные искусственные системы: государства, города, транспортные сети, крупные предприятия, шахты и т. п.
– Макросистемы масштаба человека: системы из элементов и/или подсистем с размерами, более или менее сопоставимых с человеческими – от десятков метров до миллиметров. Они – основа нашего окружения, с ними мы более всего взаимодействуем, и именно они имеют самую сильную тенденцию вовлекать в использование ресурсы выше- и нижестоящих уровней.
– Дисперсные макро-полисистемы: системы из однородных элементов и/или подсистем макро масштаба.
– Поли-системы из малых (доли миллиметров) элементов: порошки, гранулы, капли, капилляры, гели, микрокапсулы и т. п.
– Микросистемы – системы из элементов микронных размеров и микронного размера структур: кристаллы, домены, молекулярные кластеры
– Наносистемы – системы из наноразмерных элементов и наноструктур: наномашины, наноэффекты.
– Системы использующие молекулярные явления: биология, химия, биохимия.
– Системы использующие атомные и квантовые явления: ядерная энергетика, лазеры, системы измерения.
– Системы, построенные на основе полей, использующая поля вместо веществ: микроволновые устройства, электростатическая окраска, системы электролиза и т. п.
Человек достаточно рано овладел макроуровнем и некоторыми операциями уровня 10 (различными химическими процессами, плавлением и т. д.). По мере развития техники человек все более масштабно осваивает и другие уровни. Для современной техники характерно все более сильное использование полей (уровень 12) совместно со всеми уровнями используемых вещественных структур.
Большинство функций, выполняемых техническими системами, могут быть реализованы с использованием разных уровней. Каждый уровень имеет свои собственные специфические ресурсы. В процессе развития происходит как бы «насыщение» системы ресурсами за счёт использования ресурсов разных уровней.
§13. Закон повышения адаптивности
Развитие систем происходит путём улучшения их адаптации к изменяющейся в широких пределах среде.
Адаптивность – способность системы приспосабливаться, перестраиваться, менять свою структуру, состояние и функционирование для сохранения или достижения оптимального состояния при изменении внешних условий (или своего внутреннего состояния).
Необходимость адаптации возникает в результате изменения внешних условий, появления новых требований к системе или новых вредных факторов влияющих на систему, или среду её использования, появление новых применений, новых ресурсов или изменения доступности и цен на имеющиеся ресурсы, включение системы в новые надсистемы, изменение масштабов производства и потребления, переход к серийному или массовому производству со своими требованиями.
К основным путям повышения адаптивности систем относят согласование-рассогласование, повышение динамичности, управляемости и интеллектуальности систем.
В процессе развития происходит согласование – рассогласование системы и её подсистем между собой, с надсистемой и/или с другими системами для оптимизации её работы.
Согласование – это приведение основных параметров к определенным значениям, обеспечивающим наиболее эффективное функционирование, условия для лучшего прохождения нужных потоков и протекания нужных процессов. Например: согласование частот на которых работает передатчик и приёмник, настройка пианино, согласование входного и выходного сопротивлений в электронных устройствах.
Рассогласование – целенаправленное изменение отдельных параметров, обеспечивающее предотвращение вредных процессов и потоков, а также получение дополнительных полезных эффектов. Например: расположение пешеходного перехода выше или ниже автомобильной дороги,
Согласование проявляется уже при создании системы, когда идёт подбор необходимых подсистем, образующих основную функциональную цепочку. К подсистемам, помимо требования обеспечения минимальной работоспособности, предъявляется требование совместимости друг с другом, поэтому случается, что подсистема, наилучшим образом выполняющая свою функцию вне системы, оказывается не лучшей для создаваемой системы. При этом часто возникает типичное противоречие: согласование одних параметров приводит к ухудшению согласования других.
Согласованию—рассогласованию подлежат любые параметры технических систем, в том числе материалы, формы и размеры, ритмика действия, структура, энергетические, информационные и другие потоки и т. п.
Часто система должна обладать определёнными параметрами в одном режиме (например, при функционировании) и другими параметрами в другом режиме (например, при транспортировке). Это противоречие разрешается превращением прежде постоянного, неизменяемого параметра в переменный, изменяемый. Повышение динамичности даёт системе возможность сохранять высокую идеальность при значительных изменениях условий. Примеры: кресло с регулируемой высотой, крыло с изменяемой геометрией, печь с регулятором температуры. Идёт переход к системам с увеличенным числом степеней свободы, с повышением возможностей к изменениям. Например, использование микропроцессоров породило в приборах огромное количество настроек, задаваемых пользователем или автоматически.
Динамичность не может быть реализована без управляемости. Это предусматривает такие стадии, как принудительное управление, автоматическое управление, и, наконец – самоуправление. Системы эволюционируют от некоторых жёстких, стабильных, неизменяемых устройств для выполнения заданных ограниченных функций к более «умным», вплоть до моделирующих самих себя, своё окружение, и даже то, как воспринимает их интеллектуальное окружение.
§14. Закон развития отношений человек-техника
Развитие технических систем идёт в направлении их приспособления к человеку, и наоборот, приспособления к ним человека.
Это приспособление идёт в нескольких направлениях. Основным из них является передача технике функций, которые ранее выполнял непосредственно человек, используя свои органы. Происходит вытеснение человека из процесса труда, передача все большего количества все более важных функций непосредственно машинам и устройствам. В начале автоматизации какого-либо процесса деятельность человека часто заменяется устройствами, выполняющими те же операции и тем же человеческим способом. Затем происходит отказ от «человеческого» принципа работы, от технологии, рассчитанной на человеческие возможности и интеллект.
Технические системы постоянно развиваются в направлении все большего приспособления к человеку, все лучшего удовлетворения его потребностей. При этом в систему добавляется множество вспомогательных функций, например, защита системы от среды и защита среды от системы, безопасность, удобство, роскошь и т. п. Создаётся множество обратных связей, систем адаптации, настройки, самонастройки и т. п. Система становится все более «полной». Полная система не нуждается вообще в участии человека. Несмотря на локальные успехи автоматизации, подавляющее большинство существующих систем по сей день неполно. Недостающие части замещает человек, но по мере развития системы все большее количество функций передаётся системе, полнота её растёт.
В то же время, идёт и вовлечение человека в технику, расширение контактов между ним и техническими устройствами, их адаптация к человеку. Вытеснение человека из технической системы в роли исполнителя некоторых функций нередко сопровождается все более глубоким «втягиванием» человека в систему как разработчика. То есть, человек вытесняется из рутинной работы и втягивается в творческую. Техника вторгается в отношения между людьми, и, наконец, используется для усовершенствования естественных элементов и процессов в человеке. Нарастает физическое взаимопроникновение техники и человека, и, наконец, идёт переосмысление понятия о человеке с развитием техники.
В какой-то момент передача функций технике достигает такой полноты, что идёт обратный процесс – ранее адаптированные для человека элементы исключаются за ненужностью, уступают место элементам взаимодействия машина-машина. Примеры: значительное упрощение беспилотного самолёта по сравнению с пилотируемым, появление кумулятивных снарядов, противотанковых мин, электромагнитных бомб – бесполезных против человека, но ориентированных на противоборство машин.
Для существования любого живого организма необходимо выполнение многих функций, типа пищеварения, поддержания приемлемой температуры тела, защиты от врагов, перемещения и т. п. У всех существ, кроме человека это осуществляется за счёт органов. Только люди научились передавать большую часть этих функций созданным ими искусственным системам – и за счёт этого многократно форсировать результативность выполнения этих функций.
В частности, развито искусственное пищеварение – приготовление пищи с использованием различных механических, термических и химических процессов. Защита от действия окружающей среды происходит за счёт одежды, костров, домов, печей, кондиционеров, фильтров и т. п. Общение обеспечивается за счёт письменности, почты, телефонов, средств массовой информации, Интернета. Защита от болезней идёт за счёт развития санитарии и медицины. Развитие мышления происходит за счёт накопления, распространения и обработки информации – науки, баз знаний, компьютеров.
Появляются также устройства типа очков, слуховых аппаратов, кардиостимуляторов, робоскелетов и т.п., которые не замещают некоторые органы, но помогают им работать эффективнее. Появляются уже и полностью искусственные части организма – костыли, палки для опоры при ходьбе, позже – протезы органов, искусственные органы типа «искусственной почки» или протеза сердца.
Развитие техники меняет и само окружение человека от природного, случайного, неизменного к более адаптивному. На смену дикому, хаотическому, опасному окружению в котором жили наши предки, пришло на смену окружение, защищающее от наиболее опасных или неприятных внешних воздействий – изменений погоды, животных и паразитов, враждебных действий других людей и т. п. На сегодняшнем этапе техника формирует окружение, согласованное с индивидуальными требованиями конкретных людей.
Начинает появляться окружение динамично меняющееся, настраивающееся на оптимальное соответствие меняющимся требованиям людей (голосовые помощники, умные дома). Следующим шагом эволюции является окружение, активно «сотрудничающее» с людьми или конкретным человеком (например, компьютер, не только настраивающийся на человека, но и «угадывающий», что пользователь хочет и помогающий ему)
§15. Закон роста упорядочивающей способности
Развитие систем сопровождается увеличением их способности упорядочивать обрабатываемые изделия.
Всё, что нужно от техники – это порядок: чтобы все было так, как мы хотим. Нам нужны не еда, воздух и отопление, а определённый порядок в наших внутриклеточных растворах. Не столы, а определённый порядок в положении предметов, не станки, а определённый порядок атомов в продукции.
Способность к упорядочиванию является общим признаком живых и технических систем. Термодинамика позволяет делать это только ценой ещё большего разупорядочивания вокруг (роста энтропии). Системы потребляют порядок (измеримый в битах) и, с тем или иным КПД, сообщают его изделию.
Система сообщает изделию много информации, если параметры продукции на ее выходе являются очень стабильными, несмотря на большой разброс входных параметров (размер заготовок, температура, напряжение питания, точность сборки самой системы, квалификация персонала). Создание конкретной системы вообще становится возможным, когда «окошко» допустимых для ее работы входных параметров перестаёт быть «нулевым». Развитие происходит путём его расширения. Системы становятся все более всеядными и неприхотливыми. Но на выходе дают все более стандартные, чистые, точные, однородные продукты, что создаёт возможность для появления новых пока ещё капризных к входным параметрам систем. Например, без прогресса в области очистки полупроводников нельзя было создать транзисторы из-за их высокой чувствительности к малейшим примесям в материалах.
Повышение потока порядка к изделиям идёт путём последовательного устранения его неоправданных потерь. Например, в XIX веке русский изобретатель ракет К. Константинов смог добиться точности попадания, когда обнаружил и устранил «источники недостаточного порядка» – «разнобой» в ручном изготовлении корпусов и составе пороха.
В первую очередь, порядок поступает в систему с энергией. Но кроме этого, обязательно должно быть упорядоченным положение каждой ее части относительно других в пространстве и времени.
Например, станок, опирающийся ножками о пол цеха, благодаря действию силы тяжести и реакции опоры базируется в определённом положении. Это базирование (силовой отклик на перемещение по закону Гука) сквозь разные детали доводится до каждого мельчайшего элемента машины. Базированию заготовок на столах станков посвящено множество литературы. Там есть свои помехи – неточности изготовления, силовые нагрузки. Есть и свои барьеры к смещению деталей и заготовок под действием этих нагрузок. Ошибки, вызванные неопределённостью базирования, непосредственно сказываются на качестве изделий.
Другой поток порядка – работа системы управления, то есть синхронизации работы разных частей машины во времени или по состояниям. Сигналы управления могут содержать ошибки и даже злонамеренные фрагменты. Машины нуждаются в своего рода иммунной активности – способности отличать пользователя от взломщика, выбраковывать помехи и ложные данные.
