Метод исследования развития социально-технических систем и его использование в сфере бытовой техники

Бытовая техника и технология ее эксплуатации, сервисного обслуживания и ремонта развиваются высокими темпами. Это связано с большим числом конкурирующих фирм-поставщиков на рынке бытовой техники, с практически неограниченно растущими размерами этого рынка и с использованием в бытовой технике инноваций из сфер высоких технологий, например, из авиационного и космического машиностроения.

Вопросы анализа тенденций и прогнозирования развития бытовой техники целесообразно включать в тематику технико-технологических дисциплин при подготовке учебных программ бакалавров, инженеров и магистров соответствующей квалификации с учетом времени их обучения. Выпускник Вуза должен быть подготовлен к освоению инновационных технологий, к использованию новых конструкционных материалов, новых физических принципов действия бытовой техники и способов ее автоматизации.

Предлагаемый метод исследования развития техники отвечает на вопрос, какие причины обуславливают это развитие. Выявление причинно-следственных связей, причин обновления технической системы приводит к более глубокому пониманию процессов взаимодействия системы и ее среды. Это взаимодействие, как правило, циклично. Целостный цикл состоит из трех фаз взаимодействия. Среда, как активная и ведущая сторона взаимодействия, воздействует на систему на исходной и завершающей цикл фазах. Система, как активная и определяющая содержание взаимодействия сторона, воздействует на среду на центральной фазе, которую будем называть фазой реакции системы.

Рассмотрим типичный жизненный цикл предприятия по серийному производству современных холодильников. На исходной фазе цикла собственник, вкладывая средства в строительство и оснащение предприятия оборудованием, в на- бор и обучение персонала работников, создает потенциал предприятия, под которым мы понимаем проектируемый объем ежемесячно выпускаемой конкурентно-способной продукции. На центральной фазе реакции системы потенциал предприятия отображается его ресурсом, который определяется объемом ежемесячно реализуемой продукции. Очевидно, что последний не может превышать проектируемый. Наоборот, ресурс предприятия из года в год постепенно снижается. Причина – физический износ оборудования и моральное старение выпускаемой продукции. Последнее связано с появлением на рынке продукции, конкурирующей по потребительским характеристикам и имеющей меньшую себестоимость и рыночную цену. Рано или поздно предприятие становится нерентабельным, и собственник принимает ре-шеиие о его реконструкции, процесс которой составляет третью фазу, завершающую цикл развития данного предприятия. Пространственная граница между предприятием и его средой на центральной фазе – это рынок реализации продукции, а на исходной и завершающей цикл фазах – это рынки средств производства и персонала его работников. Одновременно – это область взаимодействия между предприятием и подрядчиками, которые по контрактам с собственником проектируют, строят и реконструируют, затем – оснащают предприятие и запускают его в эксплуатацию.

Технический прогресс и развитие потребностей людей приводят к сокращению периодов жизненных циклов сменяющих друг друга поколений бытовой техники – холодильников, стиральных машин, телевизоров, сотовых телефонов, компьютеров и любых других изделий, используемых в быту. При этом их жизненные циклы подобны рассмотренному выше и включают три фазы: создание, эксплуатация бытового прибора (машины) данного поколения и его реконструкция. Поэтому целесообразно рассмотреть модель жизненного цикла социальнотехнической системы, которая могла бы облегчить выявление общих закономерностей развития техники и послужила бы инструментом для надежного прогнозирования тенденций этого развития .

Состояние развивающегося отношения социально-технической системы и среды на каждый момент времени определяется функциями и структурой системы.

Широкое распространение получило интуитивное представление о спирали развития системы как о наглядном образе ее изменения во времени с циклическим возвращением к пройденным состояниям на более высоком достигнутом уровне. Спираль развития трехмерна. Она разворачивается вокруг оси времени, и очевидно, что время – первая мера процесса развития системы. Большинство исследователей истории циклического развития систем в качестве показателя развития выделяют ту или иную их пространственную характеристику. Как и в приведенном нами примере, часто в качестве такой характеристики развития рассматривается потенциал системы или ее ресурс. Но вопрос о третьей мере пространства, в котором разворачивается спираль развития системы, остается до настоящего времени открытым. Как правило, исследователи рассматривают проекцию спирали развития системы на плоскость пространство - время.

В предлагаемой нами модели процесса развития системы рассматривается третья естественная мера развития, не сводящаяся к пространству и времени, ортогональная последним. Это – мера причинности развития. В качестве последней выступает та или иная причинноследственная связь, определяющая силу пограничного взаимодействия системы и среды, и как следствие – темпы развития системы. В рассмотренном примере причинность определяет скорость изменения потенциала и ресурса на соответствующих фазах взаимодействия. Введение третьей меры развития позволило дать не только пространственное, но и временное определение границы система – среда. А именно, траектория изменения состояния системы пересекает границу система-среда в момент, когда изменение функций и структуры системы происходит с наибольшими темпами.

Исследование этих кульминационных моментов пограничных взаимодействий в трехмерном пространстве развития конкретных систем позволяет обнаружить следующую закономерность. В каждом конкретном пограничном процессе господствует причинность только одного вида: интенсивная на фазе воз- действии среды и экстенсивная на фазе реакции системы. Это обуславливает детерминированный характер пограничных процессов.

Действительно, при строительстве предприятия размеры помещений, мощность монтируемого оборудования и т. п. с самого начала соответствуют проекту (интенсивный фактор). Затем, при эксплуатации предприятия, выпуск и реализация его продукции сопровождаются постепенным частичным износом и старением оборудования (экстенсивный фактор).

При наибольшем удалении состояния системы от границы система-среда, когда фаза воздействия среды скачком переходит в фазу реакции системы или последняя скачком сменяется фазой нового воздействия среды, преобладают стохастические процессы.

В первом случае хаотически чередуются процессы, вызванные ослабленными интенсивными факторами-причинами и зарождающимися экстенсивными, а во втором - процессы с ослабленными экстенсивными причинами и с зарождающимися интенсивными причинами.

В качестве примера рассмотрим процесс запуска в эксплуатацию предприятия, выпускающего холодильники. Как правило, заключительные испытания его конвейера могут выявить конструкторские или технологические ошибки, имеющие случайный характер, ведущие к нарушениям в работе конвейера и требующие порою значительное и непредсказуемое время на их устранение.

Таким образом, в связи с определяющей ролью факторов-причин как в развитии производств и сферы обслуживания бытовой техники, так и в модернизации последней, предложенный метод основан на исследовании развития социально-технических систем в трехмерном пространстве с мерами: время, пространство и причинность.

Для компактности описаниям процессов и состояний развивающихся систем самой различной природы введем обозначения: t - мера времени, отношение прошлое-будущее, s - мера пространства, отношение система-среда и c - мера причинности, отношение причина-следствие, мера скорости процесса разви- тия системы. Теперь в трехмерном пространстве tsc можно выделить три плоскости: ct - границу система-среда; st -плоскость пространство-время, связывающую стохастическими процессами фазы взаимодействия в спираль развития системы; sc - плоскость пространство-причинность, которую можно назвать плоскостью фазового портрета состояний развивающейся системы. В этом пространстве tsc разворачивается в спираль траектория конца двумерного вектора состояния системы, начало которого вместе с парой ортогональных осей s и c перемещается по оси ее собственного времени t, совпадая с текущим его значением. Компоненты этого вектора – потенциал или ресурс (проекция вектора на ось s) и их производные (проекция на ось c).

Отсюда следует, что каждая конкретная система развивается с присущими ей темпами в своем собственном времени. Естественным и наиболее точным способом привязки собственного времени развития конкретной системы к историческому времени может послужить определение даты последнего для момента пересечения границы система-среда на центральной фазе цикла развития - фазе реакции системы. Действительно, на границе система проявляет себя в среде наиболее полно, ярко, всесторонне, а потому именно в данный момент ее характеристики легче всего измерить. От него вперед, в будущее, и назад, в прошлое, естественно отсчитывать собственное время жизни данной системы - период цикла. Этот жизненный цикл начинается и завершается в моменты пересечения границы исходным и завершающим цикл воздействием среды.

Таким образом, интуитивное представление о спирали развития в пространстве tsc находит свое логически завершенное воплощение. Отметим, что система координат tsc не инерциальная, а пространство развития - это не четырехмерное пространство Минковского. В плоскости sc нет ни одной из эвклидовых координат для измерения перемещений. Действительно, вдоль оси s измеряется не перемещение или расстояние в единицах длины, а показатель развития системы – ее достигнутый потенциал или имеющийся на данный момент ресурс. При описаниях и численных оценках характе- ристик процесса развития можно оперировать с трехкомпонентным вектором состояния системы, компоненты которого - это проекции ее характеристик на оси t, s и c.

Заметим, что исходное действие среды ведет к становлению потенциала системы, завершающее - к процессу наследования системой следующего поколения организованных в подсистемы элементов структуры данной системы. Последнее происходит, в том числе, благодаря информационному отображению наследуемых элементов растущим потенциалом системы следующего поколения.

Наряду с центральным моментом времени и периодом жизненного цикла системы к важнейшим количественным показателям ее развития целесообразно отнести разность максимального и минимального потенциала системы, а также разность максимального и минимального ее ресурса. В дальнейшем для краткости эти разности будем называть потенциалом и ресурсом системы. Траектории их изменений во времени как правило существенно не линейны, содержат отрезки, подобные скачкам и временным остановкам в развитии. Однако процесс тем ближе к естественному, а значит, к оптимальному, чем ближе нелинейная траектория на фазе воздействия среды к известной логистической - s- образной -функции Гомпертца, а на фазе реакции системы - к логистической функции Ферхюлста. Первая функция несимметрична, а вторая - симметрична относительно точки с максимальной крутизной. В нашей модели процесса эти точки совпадают с моментами пересечения вектором состояния системы границы система-среда. Функции Гомпертца и Ферхюлста широко известны в литературе по биологии и прогнозированию. Их безразмерная каноническая форма имеет вид:

Р(0 = e^-kt (функция Гомпертца) и P(t) = _1+e-_kt (функция Ферхюлста ), где e - постоянная Эйлера, к - коэффициент, имеющий размерность частоты.

Кроме количественных характеристик предложенная модель позволяет учитывать диалектическую логику изменения состояния системы. Виток развития новой функции объединяет исходную и центральную фазы взаимодействия системы и среды. На этом витке отноше- ние новой и унаследованной функций изменяется от их тождества к различию на фазе исходного воздействия среды и через их противоположность к противоречию между ними на фазе реакции системы. Виток развития структуры происходит с отставанием на одну фазу и объединяет центральную и завершающую цикл фазы взаимодействия системы и среды. Отношение новой и унаследованной структур изменяется от их тождества к различию на центральной фазе взаимодействия и через их противоположность к противоречию между ними на фазе завершающего цикл воздействия среды. Противоречие в развитии функции снимается витком развития структуры системы, а противоречие в развитии структуры - витком развития функции системы следующего поколения.

Рассматривая этот цикл развития как целое, мы можем выделить в его пределах ровно пять классов отображений функций и структуры, соответствующих широко используемой A- D-E - классификации объектов и процессов [1]. Из них два класса отображений функций подобны времени: Ак - отображение функций, сложившихся в результате воздействия среды, функциями начавшейся реакции системы; Dk - отображение развитых функций структурой системы на фазе ее реакции. Три класса отображений структуры подобны пространству: E8 - отображение структуры, сложившейся на центральной фазе цикла, структурой, деформируемой завершающим цикл воздействием среды; E7 - отображение деформируемой структуры функциями системы следующего поколения; E6 - отображение структуры подсистем функциями системы следующего поколения. Можно предположить, что рассмотренное естественное происхождение A-D-E – классификации проливает свет на таинственную связь всех известных A-D-E -классификаций, описанную Арнольдом В. И. в его книге «Теория катастроф» [1]. Например, в соответствии с приведенной выше цепочкой A-D-E - отображений в процессе развития форм кристаллических веществ, выстраивается A-D-E - цепочка форм правильных выпуклых многогранников: куб, додекаэдр, икосаэдр, октаэдр, тетраэдр.

Три меры пространства развития системы и три фазы цикла ее развития позволяют естественным образом использовать в предложенной нами модели периодические свойства ряда Фибоначчи rf. Великий математик древности Фибоначчи, помогая соседу определить площадь, необходимую для размещения разводимых кроликов, открыл, что они размножаются по простейшему алгоритму Trf:

«предшествующее значение числа их пар a ( i - 1 ) плюс настоящее a ( i ) равно будущему a ( i+1 )». Этот ряд образует цепь троек чисел: «нечетное число, четное, нечетное», являющихся простейшим количественным отображением процессов развития популяций.

Для нас важно, что цепочка триад Ряда Фибоначчи отображает количественное соотношение масштабов характеристик систем в цепочке жизненных циклов их развития в природе и обществе:

// Trf, 0,1/1,2,3//5,8,13/21,34,55//89,1 44,233/377,610,987//....

Отметим особенность первой тройки ряда Фибоначчи, на первое место в которой мы поставили не число, а подобный времени алгоритм Trf - формулу, задающую вместе с последовательностью двух исходных чисел «0» и «1» движение всему ряду и однозначно определяющую значение каждого числа, занимающего свое уникальное место в цепочке ряда. Этот ряд содержит связки пар троек различной природы. Первая из них всегда подобна интенсивной, а ее центральное число содержит либо «0», либо сомножитель, равный двум в третьей или более высокой степени. Вторая тройка чисел, наоборот, подобна экстенсивной, и ее центральное число является суммой двух равных нечетных чисел. Это - инобытие двух симметричных частей логистической функции Ферхюлста, описывающей изменение ресурса системы на фазе ее реакции. Замечательным свойством ряда Фибоначчи является то, что по мере увеличения чисел ряда отношение последующего числа к предыдущему асимптотически приближается к пропорции Золотого сечения - к числу 1,618..., показателю гармонического отношения в окружающей нас природе. Это позволяет судить о близости темпа развития системы к естественному, а значит, к оптимальному, по отклонению от пропорции Золотого сечения соотношения потенциалов систем последующего и предшествующего поколения.

Таким образом, предлагаемая модель процесса развития систем при анализе истории и прогнозировании развития бытовой техники позволяет:

• - выявлять причинно-следственные связи, ведущие к развитию;

• - разделять фазы развития, где преобладают интенсивные и экстенсивные факторы-причины;

• - определять время начала и окончания жизненного цикла, а также его центральный момент времени;

• - определять близость процесса развития к естественному и оптимальному по близости нелинейных кривых изменения потенциала и ресурса системы на фазах ее создания и эксплуатации к логистическим функциям Гомпертца и Ферхюлста;

• - исследовать диалектическую логику развития противоречий в функциях и структуре системы;

• - выделять и исследовать особенности отображений функций и структуры в соответствии с известной A-D-E - классификацией простых объектов;

• - оценивать оптимальность темпа развития системы по отклонению от пропорции Золотого сечения соотношения потенциалов систем последующего и предшествующего поколения.

В рамках данной статьи не представляется возможным детально рассмотреть результаты применения предлагаемого метода к исследованию истории развития бытовой техники. Вместе с тем можно найти подтверждения ряду положений метода при рассмотрении фрагментов истории создания холодильников.

В качестве древних прообразов холодильников в России использовались ледники, которые представляли собой сруб, врытый в землю. Набитый большим количеством снега и льда, укрытый толстым настилом, поверх которого была насыпана земля и уложен дерн, такой холодильник позволял хранить длительное время скоропортящиеся продукты [2].

Таким образом, функция холодильника - поддержание длительное время холода в емкости для хранения продуктов - с самого начала отвечала потребностям человека сохранять скоропортящиеся пищевые продукты, И для этого использовались готовые, найденные в природе структурные компоненты ледника: лед и снег, заготовленные зимой, сруб, врытый в землю и теплоизоляция из насыпной земли и дерна. Однако ледник имел два недостатка: привязанность к земле и зависимость от естественного происхождения льда и снега. Первый недостаток структуры ледника устранил в 1803 году американский бизнесмен Томас Мур, поставлявший в Вашингтон сливочное масло. Для транспортировки масла он сконструировал реф-рижиратор – емкость из тонких листов стали, обернутую шкурками кролика, помещенную в деревянную бадью и засыпанную сверху льдом. Новая функция – транспортировка охлажденных продуктов – потребовала облегчить теплоизоляцию. И решение проблемы облегчения теплоизоляции в свою очередь привело к массовому использованию в XIX веке домашних ледников, напоминающих шкафы, где кроличьи шкурки были заменены опилками и пробками.

Но зависимость от природного льда была устранена только в 1850 году, когда американский врач Джон Горн впервые продемонстрировал процесс получения искусственного льда в аппарате, где была использована технология компрессионного цикла. Именно этот момент можно считать поворотным от фазы первоначального развития основной функции – сохранения холода – к фазе развития структуры холодильника первого поколения, его конструкции. Сначала это были громоздкие холодильные камеры и машины, использующие компрессоры и аммиак в качестве хладагента и применявшиеся в пивоваренной и мясообрабатывающей промышленности.

Первый бытовой электрический холодильник был создан в 1913 году, но в качестве охлаждающей жидкости использовались достаточно токсичные вещества, что стало главным препятствием широкого применения таких холодильников в быту. Эта проблема была решена в 1926 году датским инженером Кристианом Стинструпом путем применения герметичного колпака, скрывавшего как электродвигатель, так и компрессор холодильника. Так появился холодильник, предназначенный именно для дома, -бесшумный, долговечный и безвредный. Компания General Electric приобрела па- тент на его изобретение /2/. С 1930 года в качестве хладагента в бытовых холодильниках стал применяться фреон. Все это позволило General Electric произвести и продать 1 млн экземпляров первой серийной модели холодильника – Monitor-Top. В СССР в 1939 году на Харьковском тракторном заводе начался серийный выпуск холодильников ХТЗ-120 с емкостью камеры 120 литров. До Великой Отечественной войны было выпущено несколько тысяч таких холодильников. С 1950 года отечественные холодильники начал выпускать автомобильный завод ЗИС. Использование автомобильных технологий позволило наделить агрегаты высоким качеством. Корпус холодильника был изготовлен из металла, а камеры из нержавейки.

Вторая половина XX века стала периодом широкого распространения холодильников, использующих технологию компрессионного цикла. Давление спроса на рынке бытовой техники сочеталось с технологическими возможностями для его удовлетворения. Соответствие предложения спросу стало главной причиной высоких темпов реализации бытовых холодильников компаниями-производителями во многих странах мира.

В начале XXI века получили распространение холодильники нового поколения, для которого характерна многофункциональность техники, удовлетворяющей самым разным требованиям потребителей [3]. Холодильники стали оснащаться микропроцессорной системой управления. Появилась возможность контролировать высокоточное поддержание температуры, режимы интенсивного охлаждения и быстрого замораживания, а также информировать об аварийном повышении температуры. На российском рынке распространяются модели холодильников многих ведущих фирм-производителей. Из них 55% процентов продаж занимают наиболее дешевые модели - Мир, Норд, Саратов, Свияга, Бирюса. В украинской модели Норд использованы технологии ведущих производителей Италии и Швейцарии. Здесь в качестве хладагента применяется экологически чистый изобутан R600, который используется также в моделях Electrolux, LG, Samsung, производимых в странах Западной Еврпы и Азии. Изобутан имеет высокий холодильный коэффициент, что ведет к снижению нагрузки на компрессор и как следствие к уменьшению энергопотребления (примерно на 30%), снижению уровня шума, повышению надежности и срока службы холодильника.

В последние годы холодильники получи возможность выполнять новую функцию. Решена 40-летняя проблема борьбы с опасными для человека микроорганизмами. Для этого с использованием новейших нанотехнологий создано внутреннее антимикробное покрытие AgION, выделяющее ионы серебра. Новая технология оказалась не только эффективной, но и дешевой, приводя к удорожанию холодильника не более, чем на 10 евро.

К числу перспективных технологий необходимо отнести применение инверторов для плавного регулирования мощности бытовых машин. Так, использование компрессоров переменной мощности, разработанных Корпорацией EMBRACO, позволило снизить энергопотребление до 40%, шум до 5дБ и обеспечить лучшую сохранность продуктов в холодильнике.

В связи с тем, что при эксплуатации традиционных холодильных систем возможна утечка хладагента с серьезными экологическими последствиями, в настоящее время разрабатываются альтернативные технологии охлаждения. Одна из них – применение термоэлектрического эффекта, открытого Пельтье в XIX веке. Если пропускать электрический ток через спай двух специально подобранных материалов (висмут, сурьму и др.), то один из них нагревается, а другой охлаждается ниже атмосферной температуры. Термоэлектрические холодильники компактны, их отличает высокая надежность, отсутствие движущихся частей, экологическая чистота [4]. Усилиями ученых ряда стран, включая Россию, удалось создать прообраз бытового холодильника, использующего технологию магнитного охлаждения. В нем используются мощ- ные постоянные магниты и кольцо с сегментами, заполненными порошком из сплава на основе гадолина. Сегменты нагреваются при прохождении через мощное магнитное поле и остывают, когда рабочее тело выходит из этого поля. Такое устройство отличается крайне низким уровнем шума и вибраций.

Перспективными являются холодильники, использующие технологию тепловых труб, разработанную для космических аппаратов в Научнопроизводственном объединении прикладной механики. В таких холодильниках стальные и алюминиевые тепловые трубы с сетчатыми капиллярными структурами имеют неограниченный ресурс, высокую надежность и эффективность. Ряд предприятий Красноярского края уже начал производство таких холодильников.

Таким образом, на рубеже XX и XXI веков начался переход от фазы развития холодильной техники, использующей технологию компрессионного цикла, к новой фазе развития ряда альтернативных технологий, основанных на ресурсосбережении и удовлетворяющих самым высоким экологическим требованиям. Это необходимо учитывать в программах подготовки студентов, изучающих технику и технологию сервиса бытовых машин и приборов.