Линии жизни» технических систем

Жизнь технической системы (как, впрочем, и других систем, например, биологических) можно изобразить в виде S-образной кривой (рис. 12), показывающей, как меняются во времени главные характеристики системы (мощность, производительность, скорость, число выпускаемых систем и т. д.).

Рис 12, 13

У разных технических систем эта кривая имеет, разумеется свои индивидуальные особенности. Но всегда на ней есть характерные участки, которые схематически, с подчеркнутым огрублением, выделены на рис. 13.

В «детстве» (участок 1) техническая система развивается медленно. Затем наступает пора «возмужания» и «зрелости» (участок 2) - техническая система быстро совершенствуется, начинается массовое ее применение. С какого-то момента темпы развития начинают спадать (участок 3) - наступает «старость». Далее (после точки) возможны два варианта. Техническая система А либо деградирует, сменяясь принципиально другой системой Б (современные парусники не имеют скоростей, на которых сто лет назад ходили прославленные чайные клиперы), либо на долгое время сохраняет достигнутые показатели (велосипед не претерпел существенных изменений за последние полвека и не был вытеснен мотоциклом).

От чего зависит соотношение между участками? Иными словами, чем определяется положение точек перегиба (,,) на «жизненной кривой» той или иной технической системы?

Изучение кривых развития параметров различных технических систем (скорости движения самолетов и кораблей, скорости бурения, роста энергии ускорителей и т. д.) заставляет сразу обратить внимание на то, что реальные кривые заметно отличаются от ожидаемых теоретических кривых. Характер различия показан на рис. 14, где штриховая кривая - теоретическая, а сплошная - реальная.

Казалось бы, с момента появления техническая система должна неуклонно (хотя и не очень быстро) развиваться до, т. е. до момента перехода к массовому применению. На самом деле переход к массовому применению () начинается с опозданием и на более низком техническом уровне.

Период быстрого развития технической системы должен был бы завершиться в точке, там, где исчерпываются возможности использованного в системе принципа и обнаруживается экономическая нецелесообразность дальнейшего развития данной системы (уровень 1). Однако ничего подобного не происходит: реальная точка всегда намного выше теоретической. Когда кривая доходит до уровня 1, в дальнейшем развитии системы оказываются заинтересованными многие люди. Возникает инерция интересов - финансовых, научных (псевдонаучных), карьеристских и продето человеческих (боязнь оставить привычную и обжитую систему). Могут спросить: значит, инерция интересов оказывается сильнее экономических факторов? Да, сильнее. Но и сами экономические факторы умеют приспосабливаться к инерции интересов. Вплоть до уровня 2 система продолжает оставаться экономически выгодной за счет разрушения, загрязнения и хищнической эксплуатации внешней среды.

Типичным примером может служить интенсивное строительство в капиталистических странах больших танкеров. Как известно, катастрофа с танкером «Торри Каньон» (120 тыс. тонн нефти попали в море) привела к тяжелейшим последствиям на побережьях Англии и Франции. С тех пор океан не стал спокойнее, мореплавание не стало безопаснее. Но уже построены танкеры в полмилиллиона тонн, строятся и проектируются танкеры водоизмещением в миллионы тонн. Кривая идет к уровню 2. Экономичность (т. е. прибыль для судовладельцев) обеспечена за счет ущерба внешней среде. Число больших танкеров увеличивается, скорость хода тоже возрастает (хотя до сих пор нет эффективного решения проблемы торможения), неуклонно растет опасность суперкатастрофы.

«Сегодня мне это выгодно, а на остальное наплевать» - эта формула тянет кривую вверх, к уровню 2 (экономично при условии причинения вреда внешней среде). А потом все-таки достигается потолок - уровень 3, определяемый физическими пределами. Нельзя, например, втиснуть на улицу больше автомобилей, чем там может поместиться, когда автомобили стоят впритирку один к другому - от стенки до стенки.

Рис. 14.

Теоретически пока кривая поднималась вверх к уровню 1, кто-то должен был развивать техническую систему так, чтобы ее точка подъема Б совпадала с точкой кривой и обеспечивался постоянный бесступенчатый подъем. На самом деле реальная кривая начинает ощутимо подниматься только тогда, когда кривая поднялась выше уровня 2 и приблизилась к уровню 3 (пример: работа над «чистым» автомобилем). А быстрый подъем кривой происходит лишь после того, как кривая минует точку и пойдет на спад.

Рис. 15

На рис. 15,а изображена уже знакомая нам «жизненная кривая» технической системы. Интересно сопоставить этот график с графиками, характеризующими чисто изобретательские показатели.

На рис. 15,6 показана типичная кривая изменения количества изобретений, относящихся к данной технической системе. Первый пик соответствует точке (рис. 15, а): число изобретений увеличивается в период перехода к массовому применению системы. Второй пик на рис. 15 ,б обусловлен стремлением продлить жизнь системы.

Изменение уровня изобретений показано на рис. 15. в. Первые изобретения, создающие основу технической системы, всегда высокого уровня. Постепенно этот уровень снижается. Пик на рисунке соответствует изобретениям, которые обеспечивают системе возможность массового использования. За этим пиком - спад: уровень изобретений неуклонно снижается, приближаясь к нулю. А тем временем появляются новые изобретения высокого уровня, относящиеся к системе Б.

Наконец, на рис. 15, г показано изменение средней эффективности (практической отдачи, экономии, «пользы») от одного изобретения в разные периоды развития технической системы. Первые изобретения, несмотря на их очень высокий уровень, не дают прибыли: техническая система существует на бумаге или в единичных образцах, в ней много мелких недостатков и недоработок. При- быль начинает появляться после перехода к массовому применению. В этот период даже небольшое усовершенствование приносит большую «экономию» и соответственно большое вознаграждение авторам.

Изобретателю надо знать особенности «жизненных кривых» технических систем. Это необходимо для правильного ответа на вопрос, крайне важный для изобретательской практики: «Следует ли решать данную задачу и совершенствовать указанную в ней техническую систему или надо поставить новую задачу и создать нечто принципиально иное?» Чтобы получить ответ на этот вопрос (шаг 1.3 в АРИЗ), надо знать, каковы резервы развития данной технической системы.

Почти всегда можно собрать сведения о ходе предыдущего развития и построить график изменения одного из главных показателей системы (скорость, производительность, мощность, точность и т. д.). Здесь возможны три случая:

1. Техническая система еще не дошла до точки. Вопрос заключается в обнаружении этой точки. Типичная ошибка состоит в том, что эту точку пытаются прогнозировать исходя из возможностей развития данной технической системы. На самом деле точка для данной технической системы наступит не раньше, чем начнет «вымирать» предшествующая техническая система, существование которой сдерживает развитие молодого «конкурента». Например, «послеавтомобиль» (т. е. техническая система, которая сменит автомобиль) сможет интенсивно развиваться лишь тогда, когда развитие автомобиля дойдет до физического предела (рис. 14, третий уровень). Если бы сегодня в развитие, например электромобиля была вложена 1/100 часть средств и усилий, которые вкладываются в развитие автомобиля, электромобиль быстро достиг бы точки. Но этого не произойдет: автомобиль еще может развиваться между первым и вторым уровнями и будет развиваться, хотя пользование автомобилем загрязняет атмосферу.

Итак, прогнозируя развитие технической системы на начальном этапе (до точки), надо ориентироваться на состояние предшествующей технической системы.

2. Техническая система прошла точку, но не дошла до точки. В этом случае прогнозирование состоит в определении второго и третьего уровней. В крайнем случае достаточно определить только третий уровень, потому что существует отчетливо выраженная (хотя и нежелательная) тенденция к уменьшению расстояния между вторым и третьим уровнями. Определение физических пределов обычно не вызывает особых затруднений: они связаны с объективными и лежащими на виду факторами (например, прочностные свойства материалов, калорийность топлива, различные барьеры - звуковой, тепловой и т. д.).

3. Техническая система прошла точку (или). В этой ситуации прогноз сводится к отысканию новой технической системы, к которой должна перейти «эстафета».

В каждом из этих случаев изобретатель может действовать двояко. Предположим, выяснилось, что техническая система не дошла до точки. Изобретатель может заняться усовершенствованием «новорожденной» технической системы. Это сулит крупные изобретения: из Новой Идеи надо сделать Новую Вещь, а для этого Идея (изобретение пятого уровня) должна обрасти изобретениями четвертого и третьего уровней. Но путь до точки может оказаться долгим, даже очень долгим; это, как мы видели, зависит от жизненных ресурсов предшествующей технической системы. Не исключено, что срок ожидания превысит срок жизни. Зато и возможный выигрыш велик: изобретательская слава достается прежде всего тем, кто сделал практически пригодную Новую Вещь. О тех, кто высказал (и даже запатентовал) Новую Идею, вспоминают много позже.

Какой путь избрать - взяться за создание Новой Вещи или заняться небольшими усовершенствованиями другой, уже признанной (прошедшей точку) технической системы, т. е. что лучше - журавль в небе или синица в руке, - этот вопрос выходит за рамки теории решения изобретательских задач. Теория может лишь требовать, чтобы изобретатель видел обе возможности и сознательно выбирал одну из них. Выбор же зависит от мировоззрения, от того, что человек считает для себя более ценным.

Проблема выбора остается и в том случае, если техническая система бурно развивается на участке от до. Для развития на этом участке системе нужны преимущественно изобретения второго уровня, но в большом количестве. Почти гарантированный успех, возможность быстро получить десятки авторских свидетельств, сравнительная простота внедрения - нелегко отказаться от всего этого и отдать предпочтение прозябающей в неизвестности следующей технической системе. Но и здесь люди нередко поступают вопреки житейскому «здравому смыслу». Специалист по паровым турбинам вдруг бросает Вещь и всецело переключается на газовые турбины, существующие в виде сомнительной Идеи...

Самое поразительное, что проблема выбора сохраняется и в тех случаях, когда техническая система стала заведомо старой и даже дряхлой. Здесь же нет никакой надежды на сколько-нибудь заметный творческий успех: устаревшая система ассимилирует только изобретения первого уровня. Но ведь можно накопить сотни авторских свидетельств и, главное, спокойно, без мук творчества и прочих переживаний...

Сто лет назад появились барабанные печи - небольшие (несколько метров) цилиндры, с одной стороны в них подавали сырье, с другой шли раскаленные газы от форсунки, печь медленно вращалась, перемешивая сырье... Современная цементная печь - гигантское сооружение: длина до 200-250 м, диаметр до 5-7 м, в проектах супергиганты длиной до 350-400 м и диаметром 8-9 м. По громадному вращающемуся туннелю движется небольшой ручеек обжигаемого сырья. Чтобы передать этому ручейку тепло от потока газов, в печи висят цепи, много цепей -100, 150, 200 тонн... Чем больше цепей, тем лучше теплопередача, но тем тяжелее печь, тем больше пылеобразование, потому что цепи разрыхляют сырье... И вот идет поток изобретений на тему «повесим цепи как-нибудь иначе»: а. с. 226 453 (одни цепи подвешены к другим), а. с. № 187 606 (цепи развешены наподобие паутины), а. с. № 260 483 (снова паутина, но другого рисунка), а. с. № 266 484 (другой рисунок паутины), а. с № 310 095 (еще одна паутина), а. с. № 339 743 (звено цепи имеет не две «железки», а три - объемный «бублик»).

Меня интересовала психология специалистов, делающих такие изобретения. Один из них в ответ на мои расспросы сказал: «Видите ли, я работаю в институте, у института есть план, у отдела тоже план, и у моей группы план. Никто не запишет в план: к такому-то числу надо изобрести принципиально новый способ получения цемента. В план записывают: к такому-то числу разработать такое-то усовершенствование такого-то узла...» Я ответил: «План выполнять надо. Но кто мешает помимо плана искать что-то принципиально новое?!" Например, никто не заставлял А. Г. Преснякова изобретать судно с МГД-двигателем...» Мой собеседник пожал плечами: «Вы говорите о тех, кто рискнул - и выиграл. Но ведь не все, замахивающиеся на большое, добиваются успеха. Да и сколько лет надо ждать этого успеха...»

В этой книге я решил не приводить примеров из своей изобретательской практики: теория изобретательства должна строиться на объективных данных, а не на отдельных эпизодах. Но один пример я все же приведу.

В 1949 г. был объявлен всесоюзный конкурс на холодильный костюм для горноспасателей. Условия: костюм должен защищать человека в течение двух часов при внешней температуре 100°С и относительной влажности 100 %, причем вес костюма не должен превышать 8 - 10 кг. Задача считалась принципиально нерешимой. Даже при использовании самых сильных хладагентов вес костюма получался больше 20 кг. На человека допустимо «навьючивать» груз в 28-30 кг, но горноспасатель уже несет дыхательный прибор (12 кг) и инструменты (7 кг).

Можно было принять задачу так, как ее поставили организаторы конкурса: в конце концов, если сделать костюм с небольшим запасом льда и отражающей поверхностью, нетрудно уложиться в 8 кг. Конечно, защищать такой костюм будет минут 15 - 20,не больше. Но все-таки это лучше, чем ничего... Был и другой путь: изменим задачу, создадим не холодильный костюм, а другую техническую систему, пойдем в обход. Этот путь мы (я работал совместно с Р. Б. Шапиро) и выбрали.

Задачу мы решили так: выбросили дыхательный прибор, выиграли 12 кг, приплюсовали их к 10 кг, отпущенным на холодильный костюм, рассчитали газотеплозащитный скафандр, работающий на едином холодильном веществе: жидкий кислород испаряется и нагревается, поглощая тепло, а потом идет на дыхание. Получили огромный запас холодильной мощности (можно, час работать в печи при 500°) и удобную схему дыхания.

Результат: три варианта скафандра - три премии на конкурсе; через 20 лет на обложке журнала «Советский Союз» был помещен красочный снимок: сверкающий отблесками пламени экспериментальный образец газотеплозащитного скафандра. Это уже была Вещь, и я рассматривал этот снимок, нисколько не жалея о том, что 20 лет назад можно было пойти по более простому пути...

Путь в обход

Дыхательные приборы существуют 100 лет. Вряд ли даже очень талантливый конструктор смог бы уменьшить их вес (без снижения других качеств) хотя бы на 0,5 - 1 кг. Но мы перешли к другой технической системе, в которой дыхательный прибор стал только подсистемой, и выиграли 12 кг; дыхание теперь обеспечивалось попутно с новой главной функцией - защитой от тепла. Надо было преодолеть психологический барьер...

Подобные барьеры возникают, когда техническая система переходит точку. Неизбежность замены системы становится очевидной, но предел развития данной системы воспринимается как предел развития вообще. Гипнотизирует кажущаяся невозможность отказаться от привычной технической системы.

Например, в З0-е годы в развитых странах быстро росло количество кинотеатров на душу населения. Но казалось совершенно очевидным, что спад начнется задолго до того, как на каждого человека придется один кинозал. На самом деле этого не произошло: появились телевизоры («кинозалы на одного человека»).

Следует обратить внимание на чрезвычайно важную особенность: телевизор - не только кино, но и показ событий, трибуна для выступлений, «газета в картинках» и т. д. Телевидение стало следующей после кино «ступенькой», вобрав его в себя в качестве подсистемы. Простое же домашнее кино (с кинопроектором) подлинно массового распространения не получило и не дошло до точки.

Система Б приходит на смену системе А, включая ее в качестве одной из подсистем, - этотприем используется системой Б, чтобы преодолеть давящее действие системы А и блокирующее влияние инерции интересов.

Остроумный способ преодоления противоречия: система А сохраняется и не сохраняется...

На смену автомобилю, возможно, придет не электромобиль, а система, которая будет включать автомобиль (или эквивалентное ему транспортное средство) в качестве одной из подсистем.

Любопытно, что в прогнозировании этот закон в сущности еще не осознан. Рассматривая, например, кривую роста выпуска бытовых холодильников, прогнозисты рассуждают о том, что «должно наступить насыщение» и что «не может быть 10 холодильников на одного человека». На самом деле холодильники будут и не будут - они войдут в качестве подсистемы в более универсальную техническую систему (агрегат, являющийся кондиционером воздуха, холодильником, плитой и т. д.): в пересчете на условные услуги это и составит 10 холодильников на одного человека...

Закон «Техническая система поднимается на качественно новый уровень, становясь подсистемой более общей системы», чрезвычайно важен для понимания механики развития технических систем. Чтобы правильно применять этот закон при прогнозировании развития технических систем, нужно твердо помнить, что развитие неодолимо: техническая система будет развиваться, несмотря на все «невозможно», но в другом (подчас неузнаваемом) облике (став подсистемой другой системы).

Здесь часто приходится встречаться с сильными психологическими барьерами.

На одном из семинаров по теории решения изобретательских задач слушателям было дано домашнее задание: спрогнозировать (разумеется, в самых общих чертах) дальнейшее развитие танкерного флота, кривая развития которого (рост суммарного тоннажа) ныне находится где-то между точками и. Предварительно было рассказано (хотя специально без подчеркивания) о законе «идти вверх, становясь подсистемой». Однако в домашних работах никто не использовал этот закон. Гипнотизирующее действие «очевидности» оказалось слишком сильным: все работы исходили из того, что нынешние высокие темпы роста общего тоннажа танкерного флота не могут сохраниться долгое время. Сохранение этих темпов привело бы к тому, что через 20-30 лет танкеров было бы больше, чем всех кораблей (включая танкеры) вместе взятых. А это невозможно: часть не может быть больше целого...

Исходя из этой «очевидности» и велось прогнозирование. Выдвигались идеи типа «танкеров будет мало, но они будут быстроходными», «снизится потребность в нефти», «вместо танкеров будут нефтепроводы» и т. д.

Главное преимущество танкера - дешевизна перевозок. Поэтому танкеру не нужна быстроходность, за которую приходится расплачиваться повышением стоимости перевозок. Нельзя ожидать в ближайшие десятилетия и спада спроса на нефть. Уже давно нефть не только топливо, но и сырье для химической промышленности. Нет никаких оснований считать, что трансокеанские нефтепроводы (если бы их удалось построить) оказались бы надежнее и безопаснее танкеров: опыт пока свидетельствует об обратном. В 1974 г., например, прорвался подводный нефтепровод фирмы «Шелл». За сутки поверхность реки была покрыта нефтью на расстоянии около 140 км. В 90 км от места аварии было замечено множество погибших от нефти водоплавающих птиц.

«Танкеров должно быть много и танкеров должно быть мало», - мы имеем дело с противоречием, и нельзя рассматривать только одну его половину («танкеров должно быть мало, поэтому их вытеснят нефтепроводы»). Правильное решение всегда удовлетворяет обеим частям противоречия.

«Много» в пределе означает «весь флот», а «мало» - «ни одного корабля». Весь флот и ни одного корабля..., т. е. весь флот при необходимости должен уметь превращаться в танкерный (нефтевозный) и снова становиться нетанкерным. Это снимает противоречие. И это соответствует закону «развиваться, становясь подсистемой».

Технически есть несколько путей создания «многоцелевого» флота. Один из путей - постройка составных судов, в которых маленькая двигательная секция («локомотив») присоединяется к большой грузовой части («состав»). Грузовых частей может быть больше, чем двигательных секций (вагонов больше, чем локомотивов): осуществится казавшаяся невероятной ситуация «танкеров больше, чем всего флота».

Возможен и другой путь: постройка кораблей, способных перевозить любые грузы в стандартных емкостях. Вот одно из многих сообщений: «Норвежским инженером В. Фонеландом подана заявка на патентование новой схемы судна для перевозки наливных грузов, которые помещаются в цилиндрических емкостях большой вместимости (5000 кубометров). Спроектированное по этой схеме судно напоминает по архитектурному типу танкер и имеет в корме большие водонепроницаемые ворота для загрузки емкостей» («Морской флот», 1974,.№ 12, с. 52). В емкостях может быть любая жидкость или любой сыпучий груз: танкера (нефтевоза) нет и он есть...

Получив задачу, изобретатель должен определить, следует ли решать данную задачу или надо идти в обход (шаги 1.1 - 1.3 в АРИЗ-77). Критерии здесь двоякого рода: объективные (исследование «жизненной кривой» системы) и субъективные (личная установка на «большое» или «малое» изобретение). Практически при поиске обходных путей удобно пользоваться системным оператором (шаг 1.2).

Смысл системного оператора в том, что задачу изменяют переводом в надсистему или подсистему, а на каждом из уровней - переводом в антизадачу, обратную данной задаче. Возьмем, например, задачу 29 - об увеличении производительности при подготовке рисунков для мультфильма. Системой по условиям задачи является рисунок (или серия рисунков). На уровне системы задача звучит так: как быстрее перейти от рисунка А к рисунку Б? На уровне подсистемы задача коренным образом меняется: есть частица вещества (капелька краски), «кусочек» штриха, нанесенного карандашом, словом, какое-то небольшое количество вещества, из которого образован рисунок; как управлять перемещением этого вещества? В такой постановке задача решается очень легко. У нас уже была задача 3 с перемещением кусков коры; надо добавить в вещество ферромагнитный порошок и использовать для перемещения магнитное поле. Не рисовать каждый раз новое положение линии, а перемещать одну и ту же линию, меняя ее форму: «Способ воспроизведения силуэта для съемки мультипликационных фильмов, отличающийся тем, что с целью снижения трудоемкости процесса контур объекта образуют посредством наложения на магнитную панель наполненного ферромагнитным порошком шнура, а изменение силуэта при перемещении объекта относительно точки зрения получают путем передвижения шнура по панели» (а. с. № 234862).

Изменять положение и форму целого изображения трудно; мысль буквально цепенеет перед такой задачей. Изменять положение частицы вещества легко, тем более, что это уже встречалось в других задачах. Барьер чисто психологический, но чрезвычайное высокий.., если не использовать системный оператор.

Очень интересные трансформации происходят с задачей 29 при переходе на уровень надсистемы (рисунок - только часть более сложной системы, включающей также киноаппарат и средства освещения; можно ли сделать мультфильм, снимая, например, неподвижную куклу и добиваясь динамики только за счет динамичного использования кинокамеры и света?). Не менее интересны трансформации задачи в антизадачу. В задаче 29 (на уровне системы) требуется наносить черные линии на белый фон, в антизадаче - убирать лишнее со сплошного черного фона, оставляя только нужные линии...

Системный оператор не предназначен для решения задач, хотя иногда трансформация задачи автоматически ведет к решению. Назначение системного оператора - помочь в выборе обходной задачи, которая затем должна решаться по АРИЗ с шага 1,4 и далее. Как и оператор РВС, системный оператор - мощный инструмент для тренировки воображения.