Этюды об эволюционном системоведении.
Эволюциоведение.
©Рубин М.С., 2015
1. Введение.
Методы ТРИЗ эффективны не только для развития технических систем, но и для любых систем вообще. Эту мысль высказывал в своих работах Г.С. Альтшуллер и многие другие исследователи в области ТРИЗ [1, 2, 3]. Возник вопрос: почему методы и законы, разработанные для технических систем вполне работоспособны и в других областях деятельности человека? Поиск ответа на этот вопрос привел к формированию комплекса разработок, которые проводились с 2002 года [4], объединенных под названием «Эволюционное системоведение». Это развитие теории решения изобретательских задач в сфере решения изобретательских задач и развития нетехнических систем (материальных и нематериальных).
Определение системы из энциклопедического словаря: СИСТЕМА (от греч . systema - целое, составленное из частей; соединение), множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство. Выделяют материальные и абстрактные системы.
Основным объектом изучения эволюционного системоведения являются не системы сами по себе, а механизмы развития систем в процессе филогенеза и онтогенеза. То есть речь идет не о любом изменении в системе, а только о тех, которые приводят к устойчивым и положительным для данной системы эволюционным преобразованиям.
Хотелось бы подчеркнуть, что объектом изучения являются не сами системы, их структуры, свойства и функции, а именно то, как они в процессе своего развития переходят от одной фазы в другую, от старой структуры к новой. Таким образом, способы и закономерности перехода систем от одного этапа развития к следующему могут быть схожими для систем из самых разных областей: из техники, из искусства, из экономики и т.д.
В эволюционном системоведении объектом изучения является развитие любых системах: живых и неживых, материальных и нематериальных (абстрактных).
В этой небольшой статье мы имеем возможность рассмотреть только отдельные вопросы эволюционного системоведения и не детально, а только отдельные наброски, этюды. Мы постараемся описать только три наиболее интересных, с нашей точки зрения, этюда:
- этюд о теории захвата;
- этюд об элеполях, моделях функций и взаимоотношений компонентов системы;
- этюд о законах развития систем.
Хотелось бы высказать благодарность Б.И. Голдовскому и Н.В. Рубиной, замечания и предложения которых, всегда дают свежий взгляд на анализируемые материалы и новые идеи.
2. Этюд о теории захвата
Под системным захватом [5] понимаются любые процессы, при которых элементы одной системы (объект захвата) превращаются или становятся элементами другой системы (субъект захвата). При этом объект захвата может полностью или частично потерять признаки прежней системы или наоборот их сохранить. В некоторых случаях захват бывает взаимовыгодный (например, симбиоз животных и растений), то есть помогающий в существовании и развитии взаимозахватываемых систем. Процессы системного захвата наблюдаются во всех материальных и нематериальных системах: от элементарных частиц и галактик до летоисчисления, и цивилизаций.
Процесс любого захвата сопровождается первоначальными и/или постоянными затратами. Это можно увидеть в любом из примеров процесса захвата: от амебы и экосистем до теорий, и направлений искусства. Поэтому процесс захвата может характеризоваться эффективностью захвата: чем меньше затрат на захват большего количества ресурсов, тем выше эффективность захвата. В качестве ресурсов могут быть материальные и нематериальные объекты, пространство, время, на которое захвачен ресурс. Соответственно и затрачиваться могут те же виды ресурсов.
Система захвата – это субъект захвата, объект захвата, связь между ними и процесс их взаимодействия во времени и пространстве. Эта система может рассматриваться, как изолировано, так и во взаимодействии с внешней средой. Развитие системы невозможно без взаимодействия с внешней средой.
Можно выделить 5 форм (моделей) захвата:
1. Реакция захвата с поглощением (присоединением) объекта захвата;
2. Реакция захвата с обменом (в том числе симбиоз);
3. Реакция захвата вытеснением (замещением) на основе борьбы за лимитирующий фактор (the limiting factor) развития;
4. Плодотворный захват, синтез новой системы из элементов;
5. Реакция разложения (внутренний захват).
Стремление систем при своем развитии к повышению уровня и эффективности захвата ресурсов является основным законом развития систем. Любая система (материальная или нематериальная) в процессе филогенеза стремится к таким изменениям, которые приводят к повышению уровня и эффективности захвата ресурсов (элементов и полей их взаимодействия), превращая эти ресурсы в саму эту систему или в новую систему.
Если система не обладает таким свойством, то она поглощается другой системой, у которой такое свойство имеется.
Второй важный закон развития систем связан с повышением разнообразия полей взаимодействия в процессе развития систем. Проявление этого закона можно наблюдать в эволюционной иерархии систем: от физических элементов до сложных социально-культурных систем. С эволюцией систем наблюдается расширение полей взаимодействия и развитие многообразия форм захвата ресурсов.
Рисунок 1. Эволюция систем связана с увеличением многообразия полей взаимодействия и форм захвата ресурсов.
Закон повышения многообразия механизмов захвата: Развитие систем происходит в направлении повышения многообразия способов и механизмов захвата системой все новых ресурсов. Увеличивается многообразие полей взаимодействия, возникают качественно новые поля взаимодействия.
Многообразие полей взаимодействия делает необходимым многоаспектное (по всем уровням взаимодействия) рассмотрение систем: как физический объект, как химический объект, как биологический и социально-культурный объект. Например, конституция какой-либо страны может рассматриваться не только на уровне политического, законодательного или лингвистического взаимодействия. Любая конституция или иной законодательный акт записаны на неких материальных носителях, которые тоже могут сами по себе стать дополнительным источником информации для анализа этого объекта.
В этом разделе (этюде) хотелось бы отметить еще одну важную закономерность в развитии систем, которая вытекает из закона повышения уровня и эффективности захвата при развитии систем. Речь пойдет о линии эволюции:
- обычные, без особой структуры (будем их называть ресурсные) системы;
- самоорганизующиеся системы;
- функциональные системы (в которых имеется функциональное распределение).
1. Ресурсные (обычные) системы – это системы, из которых могут быть построены (сформированы) другие системы и при этом сами по себе они не обладают свойствами самоорганизующихся или функциональных систем. Например, обычный слой масла или жидкого парафина с алюминиевой пудрой на сковородке. Нет определенной структуры, молекулы мало связаны друг с другом.
2. Самоорганизующиеся системы [6].
Термин "самоорганизующаяся система" ввёл англ. кибернетик У.Р. Эшби (W.R. Ashby, 1947). Можно выделить следующие свойства самоорганизующихся систем:
- в образовании системы решающую роль играют кооперативные процессы, основывающиеся на когерентном, или согласованном, взаимодействии элементов системы, изменяется тип молекулярного поведения;
- система динамическая, ее движение носит нелинейный характер, плохо предсказуемый характер;
- система открытая неравновесная, что обеспечивает вещественно-энергетический и информационный обмен со средой.
Хорошо известны примеры таких самоорганизующихся систем: снежинки, реакция Белоусова – Жаботинского (химические часы), образование ячеистых структур в металлах, климат и другие. Классическим примером самоорганизующихся систем являются ячейки Бенара, которые образуются при нагревании сковородки с жидким парафином и алюминиевой пудрой. Энергетический поток приводит к захвату молекул и новому образованию – ячейки Бенара (рис. 2). То есть логика возникновения самоорганизующихся систем вытекает из закона развития систем в направлении повышения уровня и эффективности захвата ресурсов, и закона повышения многообразия систем, и механизмов захвата. Обратим внимание на то, что ячейки Бенара, как и многие другие самоорганизующиеся системы, не имеют функций. Еще одно наблюдение. Этот пример позволяет выдвинуть гипотезу о том, что в эволюции систем возникновение нового типа объекта (системы) бывает важнее энергетических и иных затрат, необходимые для их возникновения. Это соответствует логике закона повышения многообразия систем и механизмов захвата.
Рисунок 2. а) – ячейки Бенара, возникающие в жидком парафине с алюминиевой пудрой при закритическом тепловом потоке; б) – увеличенная в 25 раз картинка неустойчивости Бенара в жидкости www.myshared.ru/slide/621143/
3. Функциональные системы [7].
Следующим эволюционным этапом развития систем можно считать переход к системам с распределенной системой функций – функциональным системам. Это, прежде всего, живые организмы, социально-культурные и технические системы. Наличие функций позволяет адаптировать систему под изменяющиеся условия, и повысить эффективность захвата системы (жизни организма).
В качестве примера приведем всем известную ячеистую структуру – ячейки пчелиных сот, которые существуют уже 40 миллионов лет. Они, в отличие от ячеек Бенара, имеют вполне понятное функциональное назначение: защищают пчел от внешнего воздействия, от перепадов температур, обеспечивают проветривание. Размеры ячеек могут адаптироваться под размеры пчел, их могут обновлять (ремонтировать). Происходит адаптация пчелиного домика и сот под температурные условия внешней среды и этапы жизненных циклов самих пчел: могут изменяться объем, площадь поверхности, толщина и плотность корки пчелиных сот [8].
Можно выделить три признака функциональных систем:
- разбиение системы на функциональные составляющие (подсистемы);
- наличие системы управления функциями, возможность их адаптации;
- наличие надсистемы, в целях (интересах) которой выстраиваются функции.
Таким образом, функцию нельзя рассматривать в отрыве от надсистемы, в целях которой используется эта функция.
Функциональные системы могут быть одновременно и самоорганизующимися, например, саморегуляция живых организмов, стаи птиц и животных, экосистем.
Законы захвата и повышения многообразия систем приводят к формированию связанных с ними законов развития систем. Один из них – это закон перехода от ресурсных систем к самоорганизующимся и к функциональным системам.
3. Этюд о моделях функций, элеполях и взаимоотношений компонентов системы
В эволюционном системоведении большое значение отводится формализации и моделированию при описании систем и их преобразований.
Для формализации анализа систем удобно пользоваться моделью обобщенной функции, которая состоит из трех составляющих [9]:
- средство (субъект функции), обеспечивающее необходимое действие;
- действие, описывающееся параметром объекта функции и направлением изменения этого параметра (увеличение-уменьшение, изменение - стабилизация, измерение);
- объект, на который направлено действие.
Например,
Воздух – Уменьшает Влагосодержание – Зерна.
Штамп – Изменяет Форму – Пластичного материала.
В отличие от модели функции элеполь (от ЭЛементы и ПОЛя их взаимодействия) описывает не только функцию, но и при помощи каких полей взаимодействия эта функция выполняется [10].
|
|
|
Рисунок 3. Внутренний элеполь (с двумя элементами) и внешний элеполь (с двумя полями).
Пример формулировок для внутреннего элеполя:
Воздух – Уменьшает Влагосодержание – Зерна с помощью Теплового Поля.
Воздух – Уменьшает Влагосодержание – Зерна с помощью Поля Давления (создания пониженного давления).
Для внешнего элеполя действие может описываться преобразованием:
Магнитное поле – Преобразуется в – Тепловое с помощью Сопротивления.
Элеполи обладают определенной аксиоматикой и свойствами построения. Например, один элемент не может взаимодействовать с другим элементом без поля взаимодействия.
Другая особенность. Любой компонент системы в зависимости от ситуации и надсистемы может рассматриваться в одних случаях как элемент, вещество (внутренний элеполь), а в других случаях как поле (внешний элеполь). Например, поток жидкости может рассматриваться и как вещество (жидкость) и как поле (распределение скоростей и давлений в потоке). Электрон, как известно, в одних случаях проявляет свойства частицы вещества, а в других – волновые свойства. Такая двойственность поведения электрона и других микрочастиц – одно из общих свойств материи (и вещества, и поля). Одни и те же элементы алгоритмов и программ также в одних ситуациях могут рассматриваться как элементы (субъекты или объекты функций), а в других – как поля для взаимодействия других компонентов программы.
Триада «Компонент 1 – Действие (глагол) – Компонент 2» может рассматриваться не только как модель функции, но и как Модель взаимоотношений компонентов системы [11].
Если в качестве Глагола используется глагол действия, описывающий изменение того или иного параметра Компонента 2, то мы получаем модель функции. Например, нагревать (увеличивать температуру), толстеть (увеличивать вес и объем), дробить (уменьшать целостность).
Если глагол в модели взаимоотношений компонентов описывает взаимосвязь (взаимное отношение, состояние) двух компонентов, то мы получаем модель взаимоотношений компонентов. Например:
- общество владеет акциями или акции принадлежат обществу
- поезд состоит из вагонов или вагоны объединены в состав
- подозреваемый является братом пострадавшего
- дом имеет балконы.
Хотя эти триады и не составляют функции, но с точки зрения анализа проблемной ситуации и создания модели задачи они обладают всеми теми же свойствами, что и модели функций. Они могут содержать противоречия, на их основе может быть сформулирован ИКР, по тем же алгоритмам можно получать рекомендации по применению стандартов, принципов и приемов разрешения противоречий.
Модели взаимоотношений компонентов могут описываться через элепольные структуры. Например:
Общество владеет акциями на основе Договора купли-продажи.
Подозреваемый является братом пострадавшего в соответствии с показаниями соседей.
Каждая триада в отдельности может быть полезной, вредной или недостаточной с позиций рассматриваемой надсистемы. Комплексы таких триад или элеполей могут рассматриваться как модели изобретательских задач [11].
4. Этюд о законах развития систем
Выделение ведущей силы в развитии систем (стремление к увеличению захвата ресурсов в процессе филогенеза) предоставляет возможность задуматься об изложении законов развития систем в форме логически связанной системы. В эволюциоведении за ведущую силу филогенеза систем принято стремление систем к повышению уровня и эффективности захвата ресурсов. Постараемся изложить возможный вариант такой системы законов.
Система законов отображена на рис. 4. Первые два закона являются аксиоматическими, то есть они вытекают только из наблюдения большого количества примеров развития систем.
Закон развития систем в направлении повышения уровня и эффективности захвата ресурсов (1). Любая система (материальная или нематериальная) в процессе филогенеза стремится к таким изменениям, которые приводят к повышению уровня и эффективности захвата ресурсов (элементов и полей их взаимодействия), превращая эти ресурсы в саму эту систему или в новую систему.
Закон повышения системных связей и разнообразия полей взаимодействия и механизмов захвата в процессе эволюции систем (2). Развитие систем происходит в направлении повышения многообразия способов и механизмов захвата системой все новых ресурсов. Увеличивается многообразие полей взаимодействия, возникают качественно новые поля взаимодействия (см. рис. 1). Например, в процессе развития систем из объединения (захвата) физических элементов возникли химические взаимодействия, из объединения химических элементов – биологические и т.д.
Остальные девять законов вытекают из первых двух или являются вспомогательными для их выполнения.
Закон зависимости развития систем от доступных ресурсов (3). Направления развития систем формируются под влиянием внешней и внутренние среды, ресурсов, доступных развивающейся системе.
Этот закон вытекает из первого закона: должна быть сама возможность что-то захватывать. Система может состоять только из доступных ей полей и элементов, их сочетаний или производных. Например, на нашу технику оказали влияние конкретные земные условия, в которых она возникла и развивается [12]. Горообразование на Земле, например, происходит главным образом под влиянием внутренних ресурсов нашей планеты: движения литосферных плит, вулканической деятельности.
Рисунок 4. Система законов развития систем в эволюциоведении.
Закон перехода от ресурсных к самоорганизующимся и к функциональным системам (4). Этот закон был описан в разделе 2. Он логически связан с 1-м и 2-м (основными) законами развития систем.
Закон перехода к формированию надсистемам (объединениям) и образованию или развитию подсистем (5). Переход к надсистемам – это проявление захвата объединением, а переход к подсистемам может рассматриваться как захват разделением, формированию подсистемных структур.
Закон изменения внешней и внутренней среды системы при ее развитии (6). Этот закон взаимосвязан с законом развития в направлении увеличения уровня захвата. Так как захватывать можно то, что доступно системе, то, что ее окружает, то этот процесс приводит со временем к изменению самой этой окружающей среды. Знакомые нам экологические кризисы, к которым могут приводить такие изменения, могут касаться не только природных систем. Например, любой автомобиль захватывает пространство внутри города. Постепенно это приводит к исчезновению этого ресурса (городского пространства) и кризису функционирования автомобильного городского транспорта.
Изменения среды могут быть не только отрицательные, но и положительные. Например, в мобильных телефонах происходит накопление (захват) информации об окружающем пространстве (город, улица, дом). Изменяется окружающая информационная среда. Это позволяет создать много дополнительных сервисов, например, рекомендовать ближайшие магазины или рестораны, автоматически проставлять на фотографии название места, где эта фотография была сделана.
Закон стремления к идеальным функциональным системам (7). Этот закон связан с законом 1 о повышении эффективности захвата и с законом 4 о переходе к функциональным системам. Необходимо с как можно меньшими затратами захватить как можно больше ресурсов и выполнить как можно больше функций. В идеале функции выполняются без затрат и без системы.
Закон сохранения структурной целостности и функциональной полноты систем (8). Этот закон также связан с законом 1 и с законом 4 о переходе к функциональным системам. Целостность – это главное условие сохранения самой системы, невозможно что-либо захватывать в соответствии с законом 1, теряя при этом свою целостность. Функциональная полнота означает, что сформированная система функций полна для выполнения задач (целей) надсистемы, ради которой эта система функций формировалась.
Закон стремления систем к повышению степени их независимости от внешней среды (9). Этот закон связан с законом 6 об изменении окружающей среды и с законом 1 о повышении уровня захвата. То есть способности системы к захвату не должны деградировать с изменением окружающей среды [12]. Например, пароходы и теплоходы не зависят от ветра, как их предшественники парусные суда.
Закон развития механизмов захвата от жестких к гибким, от постоянных к управляемым (10). Этот закон связан с законом 9 о независимости от изменений внешней среды и законом 7 о стремлении к идеальным системам. Например, в социально-культурных системах непосредственные связи людей (в семье или племени), сменяются более гибкими связями традиций, религий и юридических законов [13]. В технике это переход от механических связей к полевым.
Закон развития через возникновение и разрешение противоречий требований (11). Стремление к выполнению требований практически каждого из выше перечисленных законов приводит к комплексам противоречий в развитии систем. Например, стремление к захвату ресурсов может противоречить необходимости тратить ресурсы для реализации захвата. Стремление к захвату может привести к тому, что будет захвачен сам субъект захвата. Стремление выполнить одну полезную функцию может приводить к невыполнению другой полезной функции и т.д. То есть, возникновение противоречий является неизбежным при стремлении выполнить требования законов развития, а развитие становится возможным лишь при преодолении этих противоречий требований.
Закон принципов разрешения противоречий при развитии систем в пространстве, во времени, системными переходами и в отношениях (12). Это обобщающий закон, связанный с 11 законом о возникновении противоречий. Из закона принципов разрешения противоречий могут следовать и другие закономерности, например, линия динамизации, переходы точка-линия-площадь-объем и другие. Относительно новым можно считать принцип разрешения противоречий в отношениях. Если к одному и тому же объекту 1 предъявляются противоречивые, не совместимые друг с другом требования, то они могут быть разрешены по отношению к разным объектам 2 и 3. Сформулирован этот принцип был в работах Ю. Мурашковского для разрешения противоречий в произведениях искусства [14]. Позже выяснилось [15], что этот принцип разрешения противоречий может использоваться и в социально-культурных, и в технических системах. Например, в радиотехнических системах можно разрешать противоречия, переходя на разные частоты электромагнитных колебаний. В одном и том же пространстве, в один и тот же временной промежуток есть возможность получать разные свойства объекта в отношении одной частоты и в отношении другой частоты.
Три из перечисленных закона (№№ 3, 6, 9) связаны с взаимоотношениями системы и окружающей среды. Другие три закона (№№ 4, 7, 8) связаны с образованием и развитием функциональных систем. Практически каждый закон может иметь детализацию и свои особенности для того или иного вида систем.
Заключение.
1. В настоящее время формируется область ТРИЗ, которая ориентирована на выявление законов развития любых систем и получившее название эволюционного системоведения (эволюциоведение).
2. Ведущими законами в этой области являются Закон развития систем в направлении повышения уровня и эффективности захвата ресурсов и Закон повышения многообразия систем и механизмов захвата.
3. Предпринята попытка построения системы взаимосвязанных законов развития систем, которая требует дальнейшего изучения и проверки.
4. В эволюционном системоведении большое значение отводится формализации при описании систем и их преобразований. Это делает возможным формализовывать описание изобретательских задач и автоматизацию поиска моделей их решения.
5. Показано, что элепольный анализ может быть использован не только для описания функциональных связей в системе, но и для любых иных взаимоотношений в системах.
Литература.
1. Альтшуллер Г.С. История развития АРИЗ (конспект), Баку, 1986 http://www.altshuller.ru/triz/ariz-about1.asp
2. Альтшуллер Г.С. Теория решения изобретательских задач. Справка "ТРИЗ-88", Баку, 1988. http://www.altshuller.ru/engineering/engineering16.asp
3. Г.С. Альтшуллер и М.С. Рубин. «Что будет после окончательной победы. Восемь мыслей о природе и технике», Баку, 1987 г., http://www.temm.ru/ru/section.php?docId=3470
4. Rubin M.S. On Theory of Developing of Material Systems (TDMS). ETRIA World Conference “TRIZ Future 2002”, 6-8 November 2002, Strasbourg, France
5. М.С. Рубин. Принцип захвата и многообразия в развитии систем. Введение в теорию захвата. Санкт-Петербург, 2006 г. http://www.temm.ru/ru/section.php?docId=3433
6. Кузнецова М.А.. Социальные системы и процессы: методология исследования: Учебное пособие для студентов гуманитарных факультетов. — Волгоград: Изд-во ВолГУ,2004. — 96 с., 2004. http://sci-book.com/osnovyi-sotsiologii/svoystva-samoorganizuyuschihsya-sistem-33643.html http://www.twirpx.com/file/69759/
7. Анохин Петр Кузьмич. Идеи и факты в разработке теории функциональных систем, 1973 г., www.galactic.org.ua/Prostranstv/anoxin-8.htm
8. Адаптация медоносных пчёл к условиям обитания. А.Ф.Семененко, “Пчеловодство” №№ 1,2 1989 г. http://apiary.su/biologiya-pchelinoj-semi/adaptatsiya-medonosnyh-pchyol-k-usloviyam/
9. Способ информационного поиска (варианты) и компьютерная система для его осуществления, патент (РФ № 2506636), приоритет от 2011-08-01, Литвин С. С. (US), Рубин М.С.(RU), Колчанов С.А. (RU), Соколов Е.Л. (RU), Смирнов А.В. (RU), Иванькович И. С. (RU)
10. Рубин М.С. Элепольный анализ как развитие вепольного и функционального анализа в ТРИЗ, Киев. 2013 г. материалы конференции Саммита разработчиков ТРИЗ. http://triz-summit.ru/file.php/id/f5776/name/Элепольный-Рубин-5.pdf
11. Рубин М.С., Сысоев С.С. Compino-TRIZ – программный комплекс постановки и решения изобретательских задач, Прага, 2014. Материалы конференции Саммита разработчиков ТРИЗ. http://triz-summit.ru/file.php/id/f300069-file-original.pdf
12. Рубин М.С. О влиянии земных условий на развитие техники, 1980 г., Баку. www.temm.ru/ru/section.php?docId=3420
13. Рубин М.С. Филогенез социокультурных систем. Секреты развития цивилизаций. Санкт-Петербург, 2010 г. www.temm.ru/ru/section.php?docId=4472
14. Мурашковский Ю. С. - Биография искусств, изд. Скандинавия, г. Петрозаводск, 2006 год.
15. Мисюченко И. Л., Рубин М.С., Применение инструментов ТРИЗ при анализе физических законов и понятий, СПб. 2015 г., материалы конференции Саммита разработчиков ТРИЗ 2015 г.
16. Рубин М.С., Этюды о законах развития техники, Санкт-Петербург 2006 год, http://www.temm.ru/ru/section.php?docId=3432