Techninių sistemų evoliucijos dėsniai

Techninės sistemos evoliucijos etapai ir dėsnių galiojimas

Techninių sistemų evoliucijos dėsniai - bendrieji techninių sistemų (TS) tobulinimo dėsningumai. suformuluoti TRIZ autoriaus Henriko Altšulerio. Jie pirmą kartą paskelbti 1979 m. Šiais dėsniais paremti išradybinių uždavinių sprendimo metodika TRIZ.

Techninių sistemų evoliucijos dėsnių žinojimas leistų kurti efektyvius techninių sistemų patobulinimus.
Galbūt dėsnis „Vystytis tampant viršsisteme“ yra fundamentalus - jis veikia ne tik technikoje, bet ir visų objektų evoliucijoje – nuo elementariųjų dalelių iki galaktikų.

Istorija

Yra žinomi kai kurie biologinių sistemų vystymosi dėsningumai, pvz.:

• vabzdžių populiacijos kiekio priklausomybės nuo laiko funkcija aprašoma kreive, kurioje stebimi 3 nuoseklūs etapai – lėtas pradinis augimas, greitas lavininis augimas ir stabilizacija arba sumažėjimas). Tokia pati dinamika būdinga mikroorganizmų populiacijų dinamikai.
• Analogiška kreivė būdinga organizmų didžiųjų taksonų (tipų ar klasių) evoliucinei dinamikai. Taksonas atsiranda kaip viena rūšis ar nedidelė jų grupė (arogenezės pasekmė), užimanti naują adaptacinę zoną. Vėliau iš jų susidaro didelis kiekis artimų mažesnio rango taksonų (genčių, šeimų, būrių ir kt.), todėl rūšių skaičius sparčiai didėja (adaptacinė radiacija). Vėliau, atsiradus konkuruojantiems tobulesniems taksonams, rūšių skaičius ima mažėti.

H. Altšuleris pastebėjo, kad tokia pati raida būdinga ir techninių sistemų evoliucijai. Pvz., atsiradusios kaitrinės lemputės pradžioje buvo negausios, jų panaudojimo sričių buvo nedaug. Tobulinant kaitrines lemputes ir pritaikant jas įvairioms funkcijoms atsirado daug jų rūšių, jų panaudojimas labai išplito išstumdamas iki tol naudotus dujinius šviestuvus. Vėliau atsirado liuminescencinės lempos, kurios vystėsi analogiškai, ir ėmė stumti kaitrines lemputes iš kai kurių sričių. Neseniai atsirado šviestukai, kurie ima išstumti iš kai kurių sričių tiek kaitrines, tiek fluorescencines lemputes.

Ieškodamas objektyvių kūrybą valdančių dėsningumų ir tyrinėdamas patentus ir autorinių liudijimų aprašymus išradėjas ir išradybos metodininkas Henrikas Altšuleris pastebėjo, kad techninės sistemos tobulėja (tobulinamos) ne bet kaip, bet paklūsdamos tam tikriems dėsningumams.

Šių dėsnių taikymas padeda išradėjams numatyti (prognozuoti) konkrečių produktų patobulinimų kryptis.

Dėsnių tyrinėjimui nuo 1973 iki 1984 m. didžiausią indėlį padarė B. Goldowsky; B. Zlotin ir A. Zusmann; Yu. Salamatov ir I. Kondrakov; S. Litvin ir V. Gerasimov; I. Vertkin; G. Ivanov; V. Petrov ir E. Zlotin; M. Rubin; V. Fey; A. Pinyaev; A. Zakharov; V. Dubrov; G. Frenklakh; G. Ezersky; A. Bystritsky.

Dėsniai

Logistinio techninių sistemų vystymosi dėsnis

Techninės sistemos įvairovė einant laikui kinta pagal logistinę kreivę.

Logistinėje TS įvairovės didėjimo kreivėje skiriami trys tarpsniai:

• „vaikystė“ - paprastai gana ilgas tarpsnis. Jo metu atrandamas pagrindinis TS principas, projektuojami pirmieji TS variantai, parodoma, kad jie veikia, pirmieji variantai tobulinami, pradedamos pirmosios serijinės ir/ar masinės gamybos.
• plėtra - TS sparčiai tobulinama, sparčiai didėja jos efektyvumas ir paklausa. Didėja TS įvairovė, kuriami TS variantai skirtingoms sritims.
• išsekimas - TS tobulinimo galimybės išsemtos, todėl tobulinimas ima strigti, nepadeda ir didelis finansavimas bei didelės konstruktorių jėgos. TS ima nebetenkinti naujų užsakovų poreikių.

Einant laikui dažnai būna ir ketvirtas tarpsnis:

• nykimas - TS iš naudojimo sferos ima stumti nauja atsiradusi sistema, kuri atlieka tokią pačią funkciją ir yra pasiekusi plėtros stadiją.

Pavyzdys: Garvežių kūrimas. (a) Pradžioje buvo gana ilgas eksperimentinis laikotarpis, kai buvo kuriami pavieniai netobuli egzemplioriai, kurių diegimas kėlė didelį pasipriešinimą. (b) Paskui prasidėjo spartus garo mašinų ir garo mašinų teorijos bei geležinkelių tobulinimas. Garvežys pripažinta technikos naujovė, kuriai skiriamos didžiulės investicijos. (c) Garvežių tobulinimas ir toliau aktyviai finansuojamas, tačiau pasireiškia fizinės ribos - šiluminio naudingumo koeficiento ribos, aplinkos tarša, galingumo didinimas tik didinant gabaritus ir masę. Prasideda technologinis sąstingis. (d) Garvežius ima išstumti ekonomiškesni ir galingesni šilumvežiai ir elektrovežiai.

Sistemos pilnumo dėsnis

Techninė sistema, savarankiškai atliekanti kokią nors funkciją, turi turėti 4 pagrindines dalis - variklį, pavarą (transmisiją), darbinį organą, valdymo posistemę (jei kurios nors dalies nėra, jos funkciją atlieka žmogus arba aplinka):

• Variklis - TS dalis, kuri transformuoja energiją, būtiną sistemos funkcijos atlikimui. Energijos šaltinis gali būti sistemoje (pvz., benzinas automobilio bake) ar viršsistemėje (elektros energija elektrinio maitinimo tinkle - staklėms su elektros varikliu).
• Pavara - TS dalis, perduodanti galią iš variklio darbiniam organui ir dažnai keičianti tam tikras galios charakteristikas.
• Darbinis organas - TS dalis, kuria TS atlieka savo funkciją.
• Valdymo posistemė - TS dalis, reguliuojanti galios perdavimą TS viduje, derinanti jos dalių veikimą laike ir/ar erdvėje.

Tam, kad sistema būtų valdoma, turi būti valdoma bent viena jos dalis.

Šias dalis turi bet kuri autonomiškai dirbanti techninė sistema - šaldytuvas, laikrodis, televizorius ar dviratis.

Pvz.: frezavimo staklės:

• darbo organas - freza
• variklis - staklių elektros variklis
• pavara - visa tai, kas yra tarp variklio ir darbo organo.
• valdymo posistemė - žmogus frezuotojas, valdymo rankenėlės ir mygtukai arba programinio valdymo posistemė.

Kiaurinio energijos perdavimo dėsnis

Sistemoje energija turi be nuostolių būti perduodama nuo variklio darbiniam organui, o iš šio - apdorojama objektui.

Visos keturios sistemos dalys naudoja energiją ir ją transformuoja. Kai energijos perdavimas nėra efektyvus, sistemoje pasireiškia techniniai prieštaravimai, kurių sprendimas yra išradybinių uždavinių sprendimas.

Energijos perdavimo požiūriu techninės sistemos efektyvumo garantija yra vienodas TS dalių gebėjimas priimti ir perduoti energiją.

Pvz.: Siųstuvo, maitintuvo ir antenos pilnutinės varžos turi būti suderintos - tuomet sistemoje susidaro bėgančios bangos režimas, efektyviausiai perduodantis energiją. Kai šios varžos nesuderintos, susidaro stovinčios bangos ir prarandama energija.

Pirmoji energijos perdavimo sistemoje taisyklė

Sistemos, kurios sąveikaujantys elementai sudaro energiją perduodančią grandinę su naudinga funkcija, efektyvumas padidėja, kai sandūrose tarp elementų panaudojamos medžiagos su artimais ar vienodais išvystymo lygiais.

Antroji energijos perdavimo sistemoje taisyklė

Sistemos, kurios sąveikaujantys elementai sudaro energiją perduodančią grandinę su kenksminga funkcija, kenksmingoji funkcija susilpninama ar panaikinama, kai sandūrose tarp elementų panaudojamos medžiagos su skirtingais ar priešingais išvystymo lygiais.

Pvz.: Sustingdamas betonas sukimba su klojiniu, todėl vėliau juos sunku atskirti. Šie du paviršiai gerai suderinti - abu kieti, šiurkštūs, nejudrūs, ir t. t. Tai normali energijos perdavimo sistema. Kad jos nebūtų, medžiagos turi būti maksimaliai nesuderintos, pvz., kieta ir skysta, šiurkštus ir slidus, judrus ir nejudrus ir kt. Tam galima panaudoti keletą konstruktorinių sprendimų - vandens sluoksnio sudarymas, slidžių dangų panaudojimas, klojinio vibravimas.

Trečioji energijos perdavimo sistemoje taisyklė

Sistemos, kurios sąveikaujantys elementai sudaro energiją perduodančią grandinę su kenksminga ir naudinga funkcijomis, efektyvumas padidinamas, kai sandūrose tarp elementų panaudojamos medžiagos, kurių išvystymo lygiai ir fizikinės bei cheminės savybės keičiami veikiant kokiu nors lauku ar medžiaga.

Pvz.: Naudojant šią taisyklę sukurti daugelis įtaisų technikoje, kuriuose sujungiami ir perskiriami energijos srautai. Tai įvairios jungiamosios movos mechanikoje, sklendės hidraulikoje, diodai elektronikoje ir kt.

Sistemos dalių ritmikos suderinamumo dėsnis

Techninės sistemos principinio gyvybingumo privaloma sąlyga yra visų sistemos dalių veikimo ritmikos (svyravimo dažnių, periodiškumo) suderinimas.

Idealumo didėjimo dėsnis

Besivystančių techninių sistemų idealumo laipsnis didėja. Ideali sistema – tokia sistema, kuri atlieka sistemos funkciją, o materialios sistemos nėra.
Aukščiausią vystymosi lygį (idealą) pasiekusi sistema išnyksta, o jos funkcija atliekama.

Pagrindiniai artėjimo prie idealo būdai:

• atliekamų funkcijų skaičiaus didėjimas
• visos sistemos redukavimas iki darbo organo
• perėjimas į viršsistemę

Prie idealo artėjanti TS pradžioje kovoja su gamtos jėgomis, po to - prisitaiko prie jų, ir, galų gale, panaudoja jas savo funkcijai atlikti.

Idealumo didinimo principas efektyviausiai panaudojamas tobulinant tą sistemos elementą, kuris yra pačioje prieštaravimo srityje ar pats sukelia nepageidaujamus reiškinius. Idealumas paprastai didinamas naudojant prieštaravimo srityje esančius, bet anksčiau nenaudotus išteklius - medžiagas, laukus. Iš kuo tolesnės nuo prieštaravimo zonos paimami ištekliai, tuo mažiau priartėjama prie idealios techninės sistemos.

Sistemos dalių netolygaus vystymosi dėsnis

Sistemos dalių vystymasis vyksta netolygiai. Kuo sudėtingesnė sistema – tuo netolygesnis jos dalių vystymasis.

Perėjimo į viršistemę dėsnis

Išsėmusi savo vystymosi galimybes sistema įsiterpia į viršsistemį kaip sudėtinė dalis ir toliau jau vystosi viršistemis.

Dinamiškumo didėjimo dėsnis

Vystydamasi techninė sistema tampa dinamiškesnė - lankstesnė, prisitaikanti prie besikeičiančių sąlygų.

TS veiksmingumas ir patikimumas besikeičiančioje, dinamiškoje aplinkoje priklauso nuo TS dinamiškumo - gebėjimo keistis. Dinamiškumo variantai:

• keičia geometrinę formą
• keičia dalių (ypač darbo organo) judėjimo (sąveikavimo) būdą.
• modulinė konstrukcija (pvz., sudedama meškerė, autobusas iš 2 dalių)

Kuo didesnis TS dinamiškumas, tuo labiau kintančiomis dąlygomis TS išlaiko savo veiksmingumą.

Pvz.:

a) Lėktuvo sparno gebėjimas veikti skirtingais skrydžio režimais (kylant, kreiseriniame skrydyje, skrydyje didžiausiu greičiu, leidžiantis) didinamas didinant sparno dinamiškumą - pridedant užsparnius, priešsparnius, strėliškumo keitimo sistemą.

b) Plūgo pasipriešinimas judėjimui sumažėja 10-20 kartų, jeigu jo noragas ir verstuvas vibruoja dažniu, kuris priklauso nuo dirvožemio savybių.

c) Ekskavatorius, kurio kaušas pakeistas rotoriumi, tapo nauja efektyvia kasimo sistema.

d) Kietas ratas (pvz., medinis su metaliniu lanku) tapo ratu su elastinga gumine padanga.

Posistemių dinamiškumas gali būti mažinamas - kartais naudingiau dirbtinai sumažinti posistemės dinamiškumą ir taip ją supaprastinti, o mažesnį posistemės patvarumą/prisitaikomumą kompensuoti sukuriant posistemei dirbtinę pastovią aplinką, apsaugotą nuo išorinių veiksnių. Tačiau visa sistema vis viena tampa dinamiškesnė.

Pvz., transmisiją nuo užteršimo galima apsaugoti dviem būdais:

a) ją dinamizuojant - papildant savaiminio apsivalymo, savaiminio tepimosi ir derinimosi funkcijomis, arba

b) ją izoliuojant - apgaubiant hermetišku apvalkalu, kuriame sudaroma tinkamiausia vidinė aplinka (didelios tikslumo guoliai, alyvos rūkas, pašildymas ir kt.).

Perėjimo nuo makro lygio į mikro lygį dėsnis

Sistemos darbiniai organai pradžioje vystosi mikro lygyje, po to – makro lygyje.

Šis dėsningumas būdingas šiuolaikinėms techninėms sistemoms. TS veiksmingumas pasiekiamas naudojant medžiagų struktūros galimybes. Pradžioje naudojama kristalinė gardelė, po to - molekulių agregatai, pavienės molekulės, molekulių dalys, atomai, atomų dalys.
Dėl šio dėsningumo būdingumo šiuolaikinėms TS studijuojant išradybos metodikas daug dėmesio skiriama „perėjimo iš makro lygio į mikro lygį“ principui ir fiziniams efektams, kurie leidžia šį principą įgyvendinti.

Medlaukio laipsnio didėjimo dėsnis

Techninės sistemos vystosi MedLaukio laipsnio didėjimo kryptimi.

Papildomi skaitiniai

• Evolutionary-Potential™ in Technical and Business Systems By: Darrell Mann, Simon Dewulf Archyvuota kopija 2005-04-04 iš Wayback Machine projekto.
• [https://web.archive.org/web/20031210130602/http://www.creax.com/articles/2002/newsletterjune/watching_systems_evolve.html Archyvuota kopija 2003-12-10 iš Wayback Machine projekto.
• Laws of Dialectics in Technology Evolution By: Vladimir Petrov Archyvuota kopija 2005-08-29 iš Wayback Machine projekto.
• Voice of Customers Pushed By Directed Evolution By: Tan Runhua Archyvuota kopija 2005-02-11 iš Wayback Machine projekto.
• The Laws of System Evolution By: Vladimir Petrov Archyvuota kopija 2013-04-10 iš Wayback Machine projekto.