Методы анализа

Приступая к анализу, вспомним законы диалектики. Затем мы приведём основные понятия системного анализа и изложим основы Теории Решения Изобретательских Задач.

Законы диалектики

$ Во время чтения законов диалектики мысленно выберите в качестве объекта устройство русского общества. Подумайте о процессе разрешения противоречий в 1917 и в 1991 году. Подумайте о том, в каком направлении, согласно законам диалектики, должно пойти дальнейшее развитие.

Развитие объективного мира и познания осуществляется путём раздвоения единого на взаимоисключающие противоположные моменты, стороны, тенденции; на их взаимоотношения. «Борьба» и разрешение противоречий, с одной стороны, характеризует ту или иную систему как нечто целое, качественно определённое, а с другой — составляет внутренний импульс её изменения, развития, превращения в новое качество [23].

Выражение «борьба противоположностей» содержит следующий смысл: 1) всякая органическая система заключает в себе внутреннее противоречие; 2) это противоречие непрерывно разрешается и воспроизводится; 3) оно осложняется тем, что каждая из обладающих относительной самостоятельностью внешних противоположностей сама противоречива; 4) только через полное разрешение таких противоречий целого возможно прогрессивное преодоление его и переход к высшей форме.

Изменение качества объекта происходит тогда, когда накопление количественных изменений достигает определённого предела. Процесс коренного изменения данного качества, «надлом» старого и рождение нового есть скачок. Переход явления из одного качественного состояния в другое есть единство уничтожения и возникновения, бытия и небытия, отрицания и утверждения. Скачок включает в себя момент снятия прежнего явления возникающим; при этом качественные и количественные изменения взаимно обусловливают друг друга.

Отрицание отрицания характеризует направление процесса развития, единство поступательности и преемственности в развитии, единство возникновения нового и относительной повторяемости некоторых моментов старого.

Развитие есть возникновение логического противоречия и снятие его в дальнейшем; в этом смысле оно есть зарождение внутреннего отрицания предыдущей стадии, а затем и отрицание этого отрицания. Поскольку отрицание предыдущего отрицания происходит путём снятия, оно всегда есть в известном смысле восстановление того, что отрицалось, возвращение к уже пройденной стадии развития. Однако это не простой возврат к исходной точке, а «…новое понятие, но более высокое, более богатое понятие, чем предыдущее, ибо оно обогатилось его отрицанием или противоположностью; оно, стало быть, содержит в себе старое понятие, но содержит в себе более, чем только это понятие, и есть единство и его и его противоположности». Отрицание отрицания оказывается, таким образом, всеобщей формой раздвоения единого и перехода противоположностей друг в друга.

Последовательность циклов, составляющую цепь развития, можно образно представить в виде спирали. При таком изображении каждый цикл выступает как виток в развитии, а сама спираль — как цепь циклов. Хотя спираль и является лишь образом, выражающим связь между двумя или более точками в процессе развития, этот образ удачно показывает общее направление развития, осуществляемого в соответствии с отрицанием отрицания: возврат к уже пройденному является не полным; развитие не повторяет проложенных путей, а отыскивает новые, сообразно с изменением внешних и внутренних условий; повторение известных черт, свойств, уже имевших место на прежних этапах, всегда является тем более относительным, чем сложнее процесс развития.

Спиралевидность характеризует не только форму процесса развития, но и темпы этого процесса: с каждым новым витком спирали преодолевается всё более значительный путь, поэтому можно говорить о том, что процесс развития связан с ускорением темпов, с непрерывным изменением внутреннего масштаба времени развивающейся системы. Эта закономерность обнаруживается как в развитии общества и природы, так и в развитии научного познания.

Диалектическое противоречие — взаимодействие противоположных, взаимоисключающих сторон и тенденций предметов и явлений, которые вместе с тем находятся во внутреннем единстве и взаимопроникновении, выступая источником самодвижения и развития объективного мира и познания.

Логическое противоречие — пара противоречащих друг другу суждений, то есть суждений, каждое из которых является отрицанием другого. Противоречием называется также сам факт появления такой пары суждений в ходе какого-либо рассуждения или в рамках какой-либо научной теории.

Основные понятия системного анализа

Анализ и Синтез

Постепенно и поэтапно разрешать противоречия позволяет наличие аналитического и синтетического образов мышления [24]. Суть анализа состоит в разделении целого на части, в представлении сложного в виде совокупности более простых компонент. Но чтобы познать целое, необходим и обратный процесс — синтез. Это относится не только к индивидуальному мышлению, но и к общечеловеческому знанию.

Модель

Модель — это идеальная конструкция, образ, отображение оригинала, объекта анализа, построенное средствами мышления, сознания. Языковые модели, то есть модели, построенные средствами естественного языка, являются своего рода конечной продукцией мышления, уже готовой или почти готовой для передачи другим носителям языка.

$ Рассмотрите свободный рынок как модель человеческого общества.

Различают два основных типа моделей по назначению — познавательную и прагматическую (управляющую).

Познавательная модель является формой организации и представления знаний, средством соединения новых знаний с имеющимися. Познание ориентировано в основном на приближение модели к реальности, которую модель отображает.

Прагматическая (управляющая) модель является средством управления, средством организации практических действий, способом представления образцово правильных действий или их результата; является рабочим представлением целей. Поэтому использование прагматических моделей состоит в том, чтобы при обнаружении расхождений между моделью и реальностью направить усилия на изменение реальности так, чтобы приблизить реальность к модели.

Различие между познавательной и прагматической моделью:

а) познавательная модель подгоняется под реальность,

б) прагматическая модель подгоняет реальность под модель.

Познавательные модели отражают существующее, а прагматические — не существующее, но желаемое и возможно осуществимое.

$ Как вы считаете, какой тип модели использует общество свободного рынка?

Чтобы осуществить то, для чего модель была создана, недостаточно только наличия модели. Модель должна быть в достаточной степени согласована со средой (культурой). Это свойство модели называется ингерентностью [25].

$ Как вы считаете, насколько модель свободного рынка согласована с русской средой?

Реальные модели служат заместителями оригинала благодаря своему подобию с ним, то есть похожести. Возможны три вида подобия:

— прямое, устанавливаемое через физическое взаимодействие,

— косвенное, устанавливаемое через аналогию, т.е. через общую абстрактную модель,

— условное, устанавливаемое через соглашение.

В каждой модели есть доля истины, то есть в чем-то любая модель правильно отражает оригинал. Степень истинности модели проявляется при практическом соотнесении модели и оригинала («практика — критерий истинности»). Кроме безусловно истинного, в модели есть и верное лишь при определенных условиях и нечто «неверное», то есть не имеющее отношения к оригиналу.

Мир, частью которого мы являемся, бесконечен, как бесконечен и любой объект, не только в пространстве и времени, но и в своих связях с другими объектами, и в том, что к любому числу отношений, в которых мы рассматривали данный объект, всегда можно добавить еще одно. Любая модель конечна, ограничена, поскольку:

1) модель отображает объект анализа лишь в конечном числе отношений с другими объектами;

2) способы описания модели ограничены, поэтому она всегда упрощенно отображает оригинал.

Модель, с помощью которой успешно достигается поставленная цель, называется адекватной этой цели. Понимание адекватности не полностью совпадает с требованиями полноты, точности и правильности (истинности): адекватность означает, что эти требования выполнены не вообще (так сказать, безмерно), а лишь в той мере, которая достаточна для достижения цели.

$ Как вы считаете, какова цель свободного рынка?

Система

Система — это совокупность взаимосвязанных элементов, обособленная от среды и взаимодействующая с ней как целое. Признаками системы являются (1) структурированность, (2) взаимосвязанность составляющих частей, (3) подчиненность организации всей системы определенной цели. Цель функционирования системы также называют главной функцией системы.

Модель системы типа «чёрный ящик» отображает только связи системы со средой, в виде перечня «входов» и «выходов». Трудность построения модели «черного ящика» состоит в том, что надо решить, какие из многочисленных реальных связей включать, а какие не включать в состав модели. Кроме того, всегда существуют и такие связи, которые нам неизвестны, но они-то и могут оказаться существенными.

Название «черный ящик» образно подчеркивает полное отсутствие сведений о внутреннем содержании «ящика». В этой модели задаются, фиксируются, перечисляются только входные и выходные связи системы со средой (даже «стенки ящика», то есть границы между системой и средой, в этой модели обычно не описываются, а лишь подразумеваются, признаются существующими).

Примеры.

Автомобиль как чёрный ящик. Главная функция — перемещать объект. Вход — скорость неподвижного человека или груза, выход — высокая скорость.

Усилитель звука в концертном зале как чёрный ящик. Главная функция — усиливать звук. Вход — тихий звук голоса человека (через микрофон), выход — громкий звук (через громкоговорители).

$ С точки зрения модели рыночной экономики любая коммерческая фирма или индивидуальный человек являются чёрным ящиком с одним входом и одним выходом. Что является этим входом [26] и выходом?

Существует два наиболее интересных для нашего анализа типа систем — с положительной и с отрицательной обратной связью.

Система с положительной обратной связью — система, внутри которой существует такая обратная связь, которая приводит к тому, что увеличение выхода системы увеличивает вход, что в свою очередь увеличивает выход и так далее. Рано или поздно такая система саморазрушается от перегрузки, либо разрушает все доступные ей источники энергии (если не срабатывает предохранитель).

Положительную обратную связь легко получить, если поднести микрофон к громкоговорителю, когда оба они подключены к одному усилителю. Начнётся самовозбуждение — чем громче звук из громкоговорителя, тем сильнее сигнал на входе микрофона, тем громче звук из громкоговорителя и так далее. Другим примером является цепная реакция на ядерном реакторе, когда освободившиеся нейтроны освобождают ещё больше свободных нейтронов, пока не происходит взрыв.

В системе с положительной обратной связью может существовать и противоположная ситуация, когда возникает уменьшение выхода, которое приводит к уменьшению входа. Например, вымирание населения — чем меньше рождается детей, тем меньше новых родителей, тем меньше детей и так далее. В таких системах идёт самоускоряющееся падение вниз. Падение можно переломить только в том случае, если есть внешние источники, способные повлиять на вход или выход. Системы с положительной обратной связью обычно крайне нестабильны.

Система с отрицательной обратной связью — система, внутри которой существует такая обратная связь, которая приводит к тому, что увеличение выхода системы уменьшает вход.

Обычно отрицательная обратная связь используется для стабилизации какого-либо параметра. Например, автопилот автомобиля автоматически снизит скорость, если будет превышен допустимый предел. Система безопасности реактора автоматически начнёт поглощать свободные нейтроны, если их число увеличится до определённого уровня. Если саранча расплодится и съест всю растительность, то саранча начнёт вымирать из-за отсутствия корма.

$ Как вы думаете, какой тип обратной связи существует в рыночной экономике?

Модель состава системы отображает, из каких частей (подсистем и элементов) состоит система. Главная трудность в построении модели состава заключается в том, что разделение целостной системы на части является относительным, условным, зависящим от целей моделирования (это относится не только к границам между частями системы, но и к границам самой системы). Кроме того, относительным является и выбор уровня дробления, определение самой малой части — элемента. Для удобства обычно применяют иерархические модели состава системы, состоящие из нескольких уровней детализации.

Пример.

Автомобиль на верхнем уровне состоит из корпуса, салона, движущей части. В зависимости от цели анализа к этому уровню также можно отнести пассажиров и груз. На уровне движущей части он состоит из двигателя, колёс, трансмиссии и т.д. На уровне колеса он состоит из ступицы, резиновой камеры, болтов крепления. Необходимость дальнейшего дробления и рассмотрения, например, из чего состоит болт в колесе, зависит от цели анализа автомобиля.

Модель структуры системы отображает связи, взаимодействия, или отношения, между компонентами модели ее состава, то есть совокупность связанных между собой моделей «черного ящика» для каждой из частей системы. Поэтому трудности построения модели структуры те же, что и для построения модели «черного ящика».

В отношении участвуют не менее двух объектов, а свойством мы называем некий атрибут одного объекта. Любое свойство, даже если его понимать как потенциальную способность обладать определенным качеством, выявляется только в процессе взаимодействия объекта (носителя свойства) с другими объектами, то есть в результате установления некоторого отношения. Например, чтобы убедиться в том, что мяч — синий, мало иметь мяч, нужны еще источник белого света и анализатор отраженного от мяча света (при этом не всякий анализатор пригоден; например, глаз дальтоника не может установить цвет мяча [27]).

Свойство — это не атрибут объекта, а лишь определенная абстракция отношения, экономящая мышление. Мы «коротко и ясно» говорим, что стекло прозрачно, вместо того чтобы каждый раз говорить об отношении между лучом света, падающим на поверхность стекла, самим листом стекла и приемником света, находящимся по другую сторону этого листа. Другими словами свойство — это свернутое отношение.

Целевое воздействие одного объекта на другой называется функцией этого объекта, которую он может осуществлять благодаря наличию определённого свойства. Свойство есть способность выполнять действие на другой объект и/или воспринимать воздействие.

Пример.

Опишем отношения между компонентами системы «усилитель звука»: звуком, микрофоном, усилителем, громкоговорителем и электротоком. Микрофон преобразует тихий звук в электроток, усилитель усиливает электроток, громкоговоритель преобразует усиленный электроток в громкий звук.

Граф — это схема, в которой обозначается только наличие элементов и связей между ними, а также (в случае необходимости) разница между элементами и между связями.

Граф состоит из обозначений элементов произвольной природы, называемых вершинами, и обозначений связей между ними, называемых ребрами (иногда дугами). Часто бывает необходимо отразить несимметричность некоторых связей; в таких случаях линию, изображающую ребро, снабжают стрелкой. Если в графе требуется отразить другие различия между элементами или связями, то либо разным ребрам приписывают различные веса (взвешенные графы), либо раскрашивают вершины или ребра (раскрашенные графы).

$ Подумайте, как отношения между людьми и фирмами в рамках рыночной экономики можно представить в виде графов.

Анализ и Синтез

Модель — Познавательная и Прагматическая (управляющая) — Согласование со средой — Подобие и Ограниченность — Адекватность

Система — Чёрный ящик — Положительная и Отрицательная обратная связь — Модель состава — Модель структуры — Свойство объекта — Функция — Граф

Основы ТРИЗ

Теория Решения Изобретательских Задач (ТРИЗ) была разработана в СССР, начиная с конца 1940-х годов, советским инженером Г.С.Альтшуллером и школой его последователей. ТРИЗ не была признана официальной наукой, исследования проводились в основном на общественных началах. В настоящее время несколько компаний и учебных заведений в странах Запада и Азии коммерчески используют ТРИЗ. С материалами и ссылками по ТРИЗ можно подробно ознакомиться в Интернет [28].

Основные методы исследований в ТРИЗ — (1) анализ мирового патентного фонда и развития техники и (2) анализ процесса поиска изобретательских идей.

Многоэкранная схема сильного мышления

Каждая техническая система входит в надсистему, являясь одной из ее частей и взаимодействуя с другими ее частями; но и сами системы тоже состоят из взаимодействующих частей — подсистем. Признак талантливого мышления — умение переходить от системы к надсистеме и подсистемам. Для этого должны работать три мысленных экрана:

Когда речь идет о дереве (системе), надо видеть лес (надсистему) и отдельные части дерева (корни, ствол, ветки, листья — подсистемы). На каждом этапе также необходимо видеть линию развития: как изменяются подсистема, система и надсистема в прошлом, настоящем и будущем:

Одновременно надо представить такую же многоэкранную схему для альтернативных и конкурирующих систем [29].

$ Подумайте, что является подсистемой, надсистемой и альтернативной системой для рыночной экономики?

Линии жизни технических систем

Жизнь технических систем (как и других систем, например, биологических) можно изобразить в виде S-образной кривой, показывающей, как меняются во времени главные характеристики системы (мощность, производительность, скорость, число выпускаемых систем и т.д.). S-кривая была получена в результате анализа истории развития множества технических систем.

У разных технических систем эта кривая имеет свои индивидуальные особенности. Но на ней всегда есть характерные участки, которые можно представить схематически, с подчеркнутым огрублением:

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 g) возможны два варианта. Техническая система А либо деградирует, становясь принципиально другой системой Б (современные парусники не имеют таких высоких скоростей, на которых сто лет назад ходили прославленные чайные клиперы), либо на долгое время сохраняет (участок 4) достигнутые показатели (велосипед не претерпел существенных изменений за последние полвека и не был вытеснен мотоциклом).

$ Подумайте о линии жизни религии и цивилизации.

S-кривой можно описать и переход количественных изменений в качественные [30]. По вертикальной оси отложим полезность системы (соответствие своему назначению), по горизонтальной — увеличение параметра системы [31].

Например, система — автомобиль, полезность — перевозка пассажиров, тогда скорость автомобиля — изменяемый параметр [32].

Точка a соответствует минимальному уровню работоспособности системы. Точка b — точка насыщения, когда дальнейший рост не приводит к увеличению полезности, а наоборот, к вреду. Участок 2 — участок прямого роста, когда увеличение параметра напрямую приводит к увеличению полезности.

Для автомобиля точка a будет соответствовать скорости в 15-20 км/ч, от a до b чем выше скорость, тем приятнее езда. Точка b — 200 км/ч (или ниже, в зависимости от дороги). Увеличение скорости свыше 200 км/ч приведёт только к опасности.

Пример.

Слишком медленный процессор в компьютере, до 120 МГц, вообще не даст возможности запустить Виндоус. По мере увеличения скорости с 120 МГц до 500-600 МГц будет получен прямой выигрыш в скорости работы Виндоус. Увеличение скорости процессора свыше 600 МГц даст очень маленький выигрыш, а то и никакого, и в конечном счёте увеличит цену компьютера, принося вред.

$ Подумайте, где находятся точки минимальной достаточности и насыщения для человека и общества при потреблении еды, лекарств, одежды. Что происходит, если потребление продолжается после точки насыщения?

От чего зависит соотношение между участками? Иными словами, чем определяется положение точек перегиба (a, b, g) 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 обратить внимание на то, что реальные кривые заметно отличаются от ожидаемых теоретических кривых. Характер различия показан на рисунке ниже, где штриховая кривая — теоретическая, а сплошная — реальная.

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

Период быстрого развития технической системы должен был бы завершиться в точке b', там, где исчерпываются возможности использованного в системе принципа, и обнаруживается экономическая нецелесообразность дальнейшего развития данной системы (уровень 1).

Однако этого не происходит: реальная точка b" всегда намного выше теоретической b'. Когда кривая А" доходит до уровня 1, в дальнейшем развитии системы оказываются заинтересованными многие люди. Возникает инерция интересов — финансовых, научных, карьерных и просто человеческих (боязнь оставить привычную и обжитую систему). Инерция интересов оказывается сильнее экономических факторов. Но и сами экономические факторы умеют приспосабливаться к инерции интересов. Вплоть до уровня 2 система продолжает оставаться экономически выгодной за счет разрушения и загрязнения внешней среды.

Типичным примером может служить интенсивное строительство больших танкеров. Катастрофа с танкером «Торри Каньон», когда 120 тысяч тонн нефти попали в море, привела к тяжелейшим последствиям на побережьях Англии и Франции [33]. С тех пор океан не стал спокойнее, мореплавание не стало безопаснее. Но уже построены танкеры в полмиллиона тонн и в миллион тонн. Кривая А" идет к уровню 2. Экономичность, то есть прибыль для владельцев судов, обеспечена за счет ущерба внешней среде. Число больших танкеров увеличивается, скорость тоже возрастает (хотя до сих пор нет эффективного решения проблемы торможения), неуклонно растет опасность суперкатастрофы.

«Сегодня это выгодно, остальное не имеет значения» — эта формула тянет кривую А" 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.

Закон увеличения степени идеальности системы

Анализ изобретений показывает, что развитие всех систем идёт в направлении идеализации, то есть элемент или система уменьшается или исчезает, а её функция сохраняется.

Примеры.

Громоздкие и тяжёлые электронно-лучевые компьютерные мониторы заменяются лёгкими и плоскими жидкокристаллическими. Скорость процессора увеличивается в сотни раз, но его размер и потребление энергии не повышаются. Сотовые телефоны усложняются, но их размер уменьшается.

$ Подумайте об идеализации денег.

Элементы АРИЗ

Рассмотрим базовые шаги Алгоритма решения изобретательских задач (АРИЗ [34]).

1. Началом анализа является составление структурной модели ТС (как описано выше).

2. Затем выделяется главное техническое противоречие (ТП).

Техническими противоречиями (ТП) называют такие взаимодействия в системе, когда положительное действие одновременно вызывает и негативное действие; или если введение/усиление положительного действия, либо устранение/ослабление негативного действия вызывает ухудшение (в частности, недопустимое усложнение) одной из частей системы или всей системы в целом.

Пример.

Для увеличения скорости винтового самолёта надо увеличить мощность двигателя, но увеличение мощности двигателя снизит скорость.

Часто для выявления главного ТП требуется проанализировать причинно-следственную цепочку (ПСЦ) связей и противоречий.

Пример.

Продолжим ПСЦ для противоречия «увеличение мощности двигателя снизит скорость». Для увеличения мощности двигателя надо увеличить объём двигателя, для чего надо увеличить массу двигателя, что приведёт к дополнительному расходу топлива, что увеличит массу самолёта, что сведёт на нет выигрыш в мощности и снизит скорость.

3. Производится мысленное отделение функций (свойств) от объектов.

В анализе любого элемента системы нас интересует не он сам, а его функция, то есть способность выполнять или воспринимать определённые воздействия. Для функций также существует причинно-следственная цепочка.

Пример.

Главная функция двигателя — не крутить винт, а толкать самолёт. Нам нужен не сам двигатель, а только его способность толкать самолёт. Точно так же нас интересует не телевизор, а его способность воспроизводить изображение.

4. Производится усиление противоречия.

Противоречие следует мысленно усилить, довести до предела. Много — всё, мало — ничего.