§3. Системный подход в творческо - конструкторской деятельности и поэтапное решение

При разработке и совершенствовании различных технологий, объектов техники, новых товаров деятельность человека направлена на предмет труда, т. е. на так называемый технический объект. Несмотря на огромное разнообразие технических объектов, всем им присущи общие черты.

Прежде всего любой технический объект можно рассматривать как совокупность отдельных элементов, из которых он состоит (например, имеющих разную форму, различные физико-химические свойства, параметры). Кроме того, все элементы технических объектов связаны между собой определенным образом. Эти общие характеристики позволяют определить любой технический объект как систему.

3.1. Технические системы

Системой будем называть совокупность взаимосвязанных элементов, обладающих различными свойствами, параметрами и пространственной структурой и объединенных для достижения единой цели или выполнения определенной функции (или функций).

Защитный костюм, раскройная установка, швейная и обувная машины, утюг, пресс, технологический процесс, потоки т.д. -все это системы (в данном случае) легкой промышленности. Таким образом, система - это совокупность элементов, связанных технологически, конструктивно или функционально.

Эффективное решение творческо - конструкторских задач возможно лишь на основе всестороннего, целостного рассмотрения разрабатываемой системы и ее развития (изменения) в процессе взаимодействия с окружающей средой. Лишь такой системный подход способен принести к подлинно творческим решениям вплоть до изобретений и открытий.

Любая техническая система обладает такими системными характеристиками, как связь с окружающей средой Н, функция F, структура S и совокупность свойств Z= {z1, z2,.., .zn}.

Окружающая среда Н Системы теоретически включает все, что не входит в данную систему. Под функцией F понимают Некоторую стабильную способность системы к определенным действиям. понятие структуры S характеризует внутреннюю организацию, порядок и построение системы, т. е . структура - это совокупность элементов и отношений между ними.

Если E= { е1, е2, ..., еn} - множество элементов, а V = { v1, v2, ..., vn} - множество отношений между ними, то структура системы может быть представлена в Виде графа S= {Е, V}. Вход системы представляет собой внешнее отношение "окружающая среда-система", а выход -внешнее отношение "система- окружающая среда".

Каждая система, ее элементы обладают свойствами Z, присущими данной системе и точно ее определяющими. Такими свойствами являются: размеры, масса, скорость, форма, а также технологичность, транспорта6ельность и, особенно, свойства что-либо делать (или для чего-ни6удь предназначенные), т. е. функционировать. В связи с этим для совокупной характеристики системы Выбирают ряд существенных свойств: Z{ z1, z2, ..., .zn}.

Рассмотрим типы технических систем на примере легкой промышленности.

В зависимости от вида элементов, из которых состоит система, можно выделить:

Q - систему (систему типа "изделие" ), элементами которой являются детали и узлы изделия (например, в легкой промышленности это детали одежды, обуви и т. п.);

T-систему (техническую систему), элементами которой являются детали и узлы технического объекта (технологического оборудования, устройства, машины и т. п.);

P-систему (систему типа "процесс"), элементами которой являются производственные операции. Это может быть либо технологический процесс, либо производственный поток.

Для данных систем рассматриваются три характерных типа задач.

Задача анализа: задана структура системы, необходимо определить ее функционирование (поведение).

Задача синтеза: заданы характер функционирования и другие требования к системе, необходимо определить структуру, которая удовлетворяет поставленным требованиям.

Задача "черного ящика": задана система, структура которой неизвестна или известна частично, необходимо определить ее функционирование и, возможно, структуру.

В качестве примера Q -системы рассмотрим швейное изделие - куртку из джинсовой ткани. Функция F1 данной системы состоит в защите человека от влияния климатических условий окружающей физической среды Нi. Функция F2 носит эстетический характер и определяется влиянием внешней социальной среды Н2.

Рис. 1. Иерархическая структура последовательности сборки капюшона (а) и соответствующий ей граф (б)

Структура Q-системы может быть представлена так, как это показано на рис. 1. На рис. 1, а показана иерархическая структура, отражающая последовательность сборки утепленного капюшона, а на рис. 1, б - соответствующий ей граф SQ = {ЕQ, VQ)} в виде ориентированного дерева, где ЕQ - множество узлов, каждый из которых отражает составную часть изделия (деталь, узел, полуфабрикат); VQ,- отношения между узлами, указывающие на соподчиненность между деталями, сборочными единицами и полуфабрикатами.

Совокупность свойств Z составляют: эстетические свойства (соответствие функциональному назначению, оригинальность внешнего вида, соответствие формы конструкции, материал и т. п.); защитные (защитные свойства материалов, сопротивление тепловому потоку, вентилируемость и т. п.); антропометрические данные и др.

Задача синтеза для Q-системы состоит в проектировании новых видов и моделей одежды, обуви, кoжгaлантерейных изделий c заданными свойствами.

Системное проектирование изделий легкой промышленности основывается на анализе двух систем: "функция- требования-свойства" и "человек-изделие-среда (физическая и социальная)" .

Задача анализа состоит в исследовании различных свойств, например, спецодежды, специальной обуви и других изделий.

Большой класс систем в легкой промышленности составляют технические системы, представленные в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Технические системы в отраслях легкой промышленности

B качестве примера T-системы рассмотрим электропаровой утюг (рис. 2.2), основной функцией Fкоторого является влажно-тепловая обработка швейных изделий с использованием ручного воздействия.. Функционирование T-системы задается ее структурой S.

Рассмотрение технической системы с позиции структуры приводит к понятиям структурных элементов и групп, которые находятся между собой в определенных геометрических, механических, энергетических и других отношениях. Структура S представляет собой как бы "рентгеновский снимок" T-системы, конструкциониро характеристику которой представляют с помощью чертежа и спецификации. Как и в случае системы типа "изделие", структура T-системы и ее функция могут быть математически описаны с помощью графов или представлены в матричной форме.

Рис.2

Свойства T-системы (утюга) Z определяются такими показателями, как z1 -масса; Z2 напряжение питания и мощность; Z3 - тип обработки подошвы; Z4 - давление пара;Z5 -тип терморегулятора и т. д.

Состояние рассматриваемой T-системы и эффективность ее функционирования в значительной мере будут зависеть от параметров окружающей среды Н, к которым можно отнести напряжение питания и давление пара, температуру и влажность окружающего воздуха и т. п.

Для технических систем имеют место все три типа задач. задача анализа состоит в исследовании функционирования технической системы, например исследование системы автоматического управления процессом влажно-тепловой обработки швейных изделий на прессе по информации о состоянии обрабатываемого изделия c целью интенсификации процесса и повышения качества обработки.

Задачу синтеза можно представить, например, в виде необходимости разработки технической системы, обеспечивающей формование заготовок верха обуви из искусственной кожи.

Примером задачи "черного ящика" может быть поиск структуры и принципа действия технической системы, которая обеспечивала 6ы изготовление определенных видов одежды методом непосредственного преобразования полимерных материалов ("манекенная технология" ). В качестве примера Р- с и с т е м ы можно рассмотреть швейный поток, который представляет собой сложную производственную систему.

Процесс пошива изделий характеризуется как система качественного преобразования предметов труда во времени из состояния деталей Д в состояние готовых изделий И (рис. 3).

Рис. 3

Реализация основной производственной функции в потоке осуществляется на основании определенной технологии Тn путем использования трудовых K, технических (оборудование Q и транспортные средства TS), энергетических Еn и других ресурсов R.

B общем случае для реализации функции {Д } - > И изготовления одного и того же вида изделия могут быть разработаны и применены разные технологии, основанные на различных физических и химических принципах, т. е. Тn = { Тn1, Тn2, ...}.

Взаимосвязь элементов производства (рабочие, предметы труда, оборудование) в потоке задается его структурой S, которая определяется формой организации, технологической схемой и планировкой потока.

В поточной системе можно выделить следующие виды отношений: пространственные отношения, характеризующие взаимное положение элементов потока в пространстве; логические отношения, характеризующие отношения между технологическими или организационными операциями процесса типа "операция хi; предшествует выполнению операции хj"; временные отношения, описывающие упорядочение производственных процессов во времени.

Рабочие в потоке с помощью специализированного технологического оборудования выполняют различные функции: стачивают детали, обметывают срезы, подвергают детали, узлы и все изделие влажно-тепловой обработке, формуют и т. д. Функция каждого рабочего направлена на выполнение общей функции потока - изготовление изделия высокого качества. Таким образом, функция поточной системы реализуется посредством выполнения каждым элементом потока своих функций, и, наоборот, общая функция расчленяется на отдельные подфункции, реализуемые структурными элементами, для чего весь производственный процесс расчленяется на части и элементы.

Следовательно, функции элементов системы определяют ее структуру, а задача проектирования состоит в создании такой структуры, которая наилучшим образом реализовала бы функцию потока.

Ни одна поточная система не является абсолютно замкнутой, ее функциональная целостность предусматривает наличие связей между системой и окружающей средой H. K окружающей среде относится вся совокупность объектов и систем, которые оказывают влияние на данную систему или зависят от ее функционирования. Для швейного потока (как системы) характерны материальные, энергетические и информационные связи с окружающей средой.

B общем случае, для того чтобы любой объект можно было рассматривать как систему, необходимо определить его системные характеристики: функцию, структуру, свойства и связи с окружающей средой.

B задачу системного анализа объектов входят:

- разработка формализованных моделей, описывающих структуру, функцию и свойства систем;
- характеристика иерархического строения систем и взаимосвязей элементов различного уровня;
определение интегральной функции системы на основе функций отдельных элементов;
- определение общих свойств системы, исходя из свойств составляющих ее элементов.

Системный подход к творческой деятельности ориентирует на
применение научных методов там, где силы воображения и опыта недостаточно. Такой подход является предпосылкой изобретательской деятельности и эффективного проектирования и конструирования, a также позволяет отойти от устаревших традиций и шаблонов.

3.2. Закономерности развития технических систем

При создании новых технических систем наряду с новыми методами изготовления, материалами и техническими решениями используется накопленный в прошлом опыт. Кроме того, прилагаются усилия к улучшению свойств уже существующих изделий и Создаются новые изделия, которые должны удовлетворять потребностям людей.

На рис. 4 показаны отношения в макросистеме "общество - экономика - наука и техника", а на рис. 5- соотношение темпов развития науки Н, техники Т и производства П.

Как считают M. A. Скирута и O. Ю. Комиссаров, математически развитие науки во времени можно представить в виде

Рис.4

где Но -достижения науки к моменту отсчета; e -основание натурального логарифма; k -постоянная; t - время.

C развитием науки появляются новые знания, которые позволяют разработать новые материалы, технические решения и использовать их для создания нового технологического оборудования (объектов техники). Новая техника внедряется в производство с целью повышения его эффективности. Отсюда очевидно, что темпы развития науки должны опережать темпы развития техники и производства.

Рис.5

Освоение нового изделия или технологического процесса является, как правило, результатом большой предварительной работы, включающей наyчные исследования, научное прогнозирование, патентный поиск, сравнение с лучшими образцами отечественных и зарубежных предприятий и фирм, предварительный расчет экономической эффективности капитальных затрат. Наибольший экономический эффект дают новые изделия или технологические процессы, разработанные на основе фундаментальных исследований, принципиально новых научных идей и направлений, технических решений, защищенных охранными документами (авторскими свидетельствами или патентами).

Важную роль в повышении эффективности творческо-конструкторской деятельности и ее результатов при поиске новых технических решений играют знание закономерностей развития технических систем, умение их анализировать и использовать для выявления резервов их развития, определения целесообразности совершенствования или создания принципиально новых технических систем.

Знание закономерностей развития техники помогает понять особенности развития следующих процессов:

• прогрессивную конструктивную эволюцию, т. е. изменение функциональной структуры системы, принцип определенного класса технических систем и техники ее действия и техническое решение;
• изменение производительности труда и других критериев прогрессивного развития определенного класса технических систем;
• увеличение разнообразия технических систем, имеющих одинаковые или близкие функции, а также разнообразия технических систем в отрасли;
• повышение сложности технических систем;
• рост затрат энергии, материалов и информации в расчете на одного человека.
  

B качестве примера, отражающего закономерности развития технической системы, рассмотрим динамику развития швейной машины (рис. 6):

• в конце XVI В. изобретено устройство для образования однониточных цепных стежков (Англия, Уильям Ли);

• в 1755 г. создана швейная c иглой c ушком посередине, которая копировала принцип ручного образования стежка (Германия, Карл Вейзенталь);

• в 1790 г. получен патент на швейную машину для изготовления изделий из кожи (сапоги), в которой Использовались транспортировка материала и регулятор длины стежка; отверстия предварительно прокаливались шилом (Англия, Томас Сент);

• в 1808 г. создана первая швейная машина для портного (Англия, Д. Пири). Во всех этик машинах использовался принцип полного протягивания иглы вместе с ниткой сквозь материал;

• в 1834 г. разработана первая швейная машина челночного стежка, в которой применялась игла c ушком на заостренном конце и использовались верхняя и нижняя нитки (США, Уолтер Хант);

• в 1844-1845 гг. в результате ряда усовершенствований создана стабильно работающая швейная машина со скоростью стачивания около 300 стежков в минуту (США, Элиос Хоу);

• в 1845 -1850 гг. в Англии, Франции, США появились швейные машины, которые были доведены практически до современного вида. Основана фирма "Зингер" по производству бытовых швейных машин. Создана машина двyxниточного цепного стежка (США, Гробер и Беккер);

• в 1850-1860 гг. осуществлялось дальнейшее усовершенствование швейных машин (в Англии - Томас Эйт, в Германии - Вилли Пфафф и в Швеции - Хускварна). B 1877 г. швейные машины появились в Азии и Японии;

• в конце XIX В. в Германии появились новые фирмы по производству швейных машин: "Штробель" - машины потайного стежка и "Пфафф", "Адлер", "Дюркопп"-разные виды машин;

• в 1900 г. в России в г. Подольске фирмой "Зингер" основан завод по сборке швейных машин;

• в начале ХХ В. появились фирмы в Италии: "Римольди" и
  "Некки" (швейные машины по изготовлению мужских сорочек);

• в 1925 г. началось развитие швейного машиностроения в СССР, созданы Подольский механический завод (ПМЗ) имени M. И. Калинина и его филиaлы в городах Орша, Ростов-на-Дону и Полтава;

• в 1950 г. создаются объединение "Текстима" (ГДР), фирмы "Паннония" (ВНР) и "Минерва" (ЧССР);

• в 1950 г. произошел невиданный скачок в развитии швейного машиностроения в Японии, созданы фирмы "Джуки", "ЯМОТО", "Сейко" и др.

В настоящее время более 100 фирм выпускают современные высокоскоростные промышленные и бытовые швейные машины. Количество видов промышленных швейных машин, полуавтоматов и автоматов исчисляется тысячами. Уже существуют высокоскоростные швейные машины.

Рис. 6

3.3. Принципы системного подхода

Исходя из того, что технический объект рассматривается как система, системный подход основывается на ряде принципов, раскрывающих его сущность. M.A. Скирyта и О.Ю. Комиссаров выделяют следующие основные принципы системного подхода.

Принцип целостности заключается в признании того, что некоторые совокупности объектов могут проявлять себя как нечто целое, обладающее такими свойствами, которые принадлежат именно всему целому (системе), a не его составным частям (элементам и подсистемам данной системы) и позволяют выделить эту совокупность из основного мира, составляющего окружающую среду данной системы.

Например, совокупность гладильной подошвы, нагревательного элемента в виде спирали, регулятора температуры, ручки, собранных определенным образом, образует электрический утюг, который рассматривается не как совокупность деталей, а как нечто целое, самостоятельное, обладающее свойствами, отличными от свойств входящих в нее частей.

Из принципа целостности следует важная особенность системного подхода, заключающаяся в требовании не ограничиваться при разработке новых машин, устройств анализом их частей и взаимодействий между ними, a обязательно постигать и учитывать свойства системы как целого.

Принцип совместимости элементов в системе указывает на то, что система, обладающая определенными системными свойствами, может быть построена не из любых элементов, а только из таких, свойства которых удовлетворяют требованиям Совместимости. Это означает, что собственные свойства элементов (форма, размеры, контур, поверхность, цвет, физико-механические характеристики и др.) должны быть такими, чтобы обеспечивать взаимодействие их друг с другом как частей единого целого.

Принцип структурности заключается в признании того, что элементы, из которых создается система, находятся в системе не произвольно, a образуют определенную, характерную для данной системы структуру, описываемую некоторым системообразующим отношением, выражающим взаимосвязь и взаимозависимость между элементами в системе.

Принцип нейтрализации дисфункций указывает на то, что в силу своих внутренних свойств или под воздействием внешней среды элементы системы могут приобретать свойства и функции, не соответствующие свойствами функциям системы в целом. Поэтому при создании новых систем из определенной совокупности элементов с целью обеспечения устойчивости системы необходимо предусматривать "механизмы", направленные на нейтрализацию дисфункций.

Примерами возникновения дисфункций в технических системах могут служить различные неполадки из-за ненадежной работы тех или иных элементов, примерами "механизмов" нейтрализации дисфункций - различные системы восстановления работоспособности объекта (системы резервирования и т. п.).

Принцип эволюции утверждает, что для различных технических систем характерно явление эволюции, поэтому необходимо использовать последнюю как мощный инструмент технического творчества и не наносить вред будущему непродуманным вмешательством в эволюционные процессы развития.

Принцип специализации и интеграции функций указывает на то, что при развитии систем происходят два как бы противоположных и в то же время взаимодополняющих явления. Оба они способствуют повышению эффективности системы. С одной стороны, идет специализация элементов на выполнение определенных функций, с другой - сосредоточение родственных функций у определенных элементов, т. е. возникновение интегральных функций и иерархических структур.

B качестве примера реализации вышеуказанного принципа можно привести P-cиcтeмy процесса производства мужской сорочки по групповой технологии (рис. 7).

Рис.7

В производственном процессе в соответствии с технологической специализацией выделены стадии раскроя настилов ткани, обработки, сборки и монтажа изделий, а также влажно-тепловой обработки (ВТО) мужских сорочек (специализация элементов производства на выполнение функций раскроя, сборки и отделки). Специализация способствует повышению эффективности P-системы: росту производительности труда и качества продукции, сокращению длительности производственного цикла. Вместе c тем повышение уровня специализации требует интеграции функций по управлению системой: обеспечение бесперебойного снабжения потока кроем, вспомогательными материалами, электроэнергией, паром и т. п., a также четкой, налаженной работы оборудования.

Таким образом, чем выше уровень специализации, тем больше интеграция функции управления.

Принцип лабилизации функций. C развитием системы появляется свойство быстрого изменения и приобретения новых функций при относительной стабильности состава и структуры системы.

B качестве примера можно рассмотреть пути повышения эффективности производства на основе развития базового принципа создания семейства швейных машин. Принцип заключается в том, что используя исходную базовую модель и усовершенствуя конструкцию швейной головки, a также оснащая машину различными приспособлениями и устройствами, создается семейство конструктивно-унифицированных моделей машин, различных по своему технологическому назначению и степени универсальности. Таким образом, в процессе совершенствования исходная базовая модель приобретает новые функции (обрезка ниток и полуфабрикатов, ориентация полуфабриката относительно иглы, подгибание края и др.).

Принцип адаптации. Техническая система, функционирующая в изменяющейся окружающей среде, должна обладать свойством адаптации, т. е. свойством перестраивать свою структуру, параметры и функционирование с целью удовлетворения потребностей окружающей среды.

Необходимость создания адаптивных систем следует из самого факта изменчивости окружающей среды, а возможность адаптации достигается вследствие изменения параметров, структуры и поведения системы, применения механизмов положительных и отрицательных обратных связей.

Принцип изоморфизма указывает на существование изоморфизмов в структуре, функционировании и развитии систем различной су6станционной природы. Поиск общих свойств и закономерностей в строении, функционировании и развитии различных систем позволяет использовать их в разработке новой техники и технологии.

Принцип полифункциональности заключается в признании полифункциональности в назначении и поведении технических систем, вытекающий из возможности существования у системы нескольких целей или функций.

Принцип комплексности состоит в том, что при разработке новых технических систем целесообразно использовать комплексный подход, заключающийся в построении и синтезе разноаспектных моделей одной и той же системы, а также в привлечении к работе представителей разных специальностей с целью полноты охвата всех проблем и аспектов.

Принцип итеративности процесса разработки новых технических систем. Необходимость итераций вытекает из следующего. Разрабатывая сложную Техническую систему, невозможно охватить все ситуации сразу, поэтому знания оказываются неполными, нуждающимися в дополнениях, уточнениях и сравнениях с действительностью для выявления и устранения упущений'. Необходимая полнота знания и. понимания достигается лишь в результате ряда итераций. На рис. 8

представлена схема процесса решения творческой задачи, на которой показаны обратные итеративные связи между этапами.
Принцип учета вероятностных факторов. Любая достаточно сложная техническая система вследствие невозможности проследить все причинно-следственные связи в самой системе и в окружающей ее среде выступает как не вполне детерминированный объект. Отсюда при создании новых технических систем и технологических процессов встает необходимость статистического исследования и вероятностной оценки явлений, протекающих в системе и в окружающей среде, путем сбора и обработки Соответствующих статистических данных.

Рис.8

Принцип иерархической декомпозиции заключается в признании относительности понятии "система" и "элемент" в том смысле, что всякий элемент может быть рассмотрен как система при переходе к более детализированному анализу и всякая система может быть рассмотрена как подсистема или элемент более обширной системы.
B качестве иллюстрации данного принципа нарис. 9 показана иерархическая структура технической системы "швейная машина". Надсистемой для нее является интегрированное рабочее место, а элементами - механизмы иглы, нитепритягивателя, челнока, транспортирующей рейки. Если в качестве системы рассматривать челнок, надсистемой будет швейная машина, а элементами - шпулька и шпульный колпачок.

Рис.9

Иерархическая декомпозиция выступает как способ анализа сложных технических систем, позволяющий добраться до деталей, не теряя видения целого.

Примерами реализации принципа иерархической декомпозиции являются также системы и методы классификации.

Так, на рис. 10 приведена классификация обуви в соответствии с ее назначением. Классификация содействует движению познания со ступени эмпирического накопления знаний на уровень теоретического знания. Методы классификационного анализа находят практическое применение для задач информационного поиска технических решений и создания компьютерных банков данных.

Рис. 10

Принцип вариантности указывает на существование различных альтернатив технического решения системы, различных путей достижения одной и той же цели. Отсюда вытекает стремление проанализировать все возможные варианты решений с целью выбора наиболее эффективного.

Принцип имитации заключается в целесообразности построения и проигрывания на ЭВМ моделей, имитирующих функционирование (поведение) технической системы или ее элементов.
B результате такого воспроизведения процессов, протекающих в системе, проверяется правильность принятых решений, заложенных в создаваемом объекте.

Системный подход может и должен широко использоваться для решения разнообразных поисковых задач в технике, он предполагает рассмотрение объекта как системы, имеющей многообразные связи между ее элементами. Системный подход не дает конкретных рекомендаций в поисковой деятельности, но, являясь не очень жестко связанной совокупностью познавательных правил, помогает найти общее направление поиска, увидеть задачу более полно и глубоко.