О ПРОГНОЗИРОВАНИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

О ПРОГНОЗИРОВАНИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Альтшуллер Г.С., 1975
1.
Существуют различные методы научно-технического, экономического
и социального прогнозирования. На эту тему имеется обширная литература.
Отметим несколько наиболее содержательных книг по научно-техническому
прогнозированию:
1.
Г.М. Добров. Прогнозирование науки и техники. Изд. "Наука",
2.
Р. Эйрес. Научно-техническое прогнозирование и долгосрочное
1969.
планирование. Изд. "Мир". 1971.
3.
Сборник
"Научно-техническое
прогнозирование
для
промышленности и правительственных учреждений". Изд. "Прогресс". 1972.
4.
Э.
Янч.
Прогнозирование
научно-технического
прогресса.
Изд."Прогресс", изд. 2-е. 1974.
Необходимость прогнозирования для предприятий, фирм, отраслей
производства и государства в целом очевидна. Так, к 1906 году 90 крупных
промышленных фирм США составляли прогнозы деловой активности. В
книге Э. Янча описаны около 100 методов прогнозирования, в том числе
морфологический анализ, мозговой штурм, различные экстраполяционные
методы. Эти методы можно считать более или менее удовлетворительными,
если речь идет о прогнозировании на ближайшие 5-10 лет выпуска того или
иного вида продукции или о прогнозировании увеличения параметров
существующего оборудования, например , объема доменных печей, скорости
движения поездов и т.д. Однако эти методы совершенно не удовлетворяют
требованиям, предъявляемым изобретательской практикой. Изобретателя
интересуют вопросы не столько количественные, сколько качественные:
имеет ли данная техническая система значительные резервы роста? какая
техническая система сменит какую? какие принципиально новые задачи и
проблемы появятся в дальнейшем?
Существующие методы прогнозирования не дают ответов на подобные
вопросы.
Обусловлено
это
тем,
что
все
методы
прогнозирования
субъективны: они исходят из оценок, мнений и суждений экспертов. И хотя
этот исходный субъективный материал подвергается объективизирующей
обработке, он неизбежно в основе своей остается субъективным. "Даже когда
имеется формальная математическая модель, например модель развития
различных
сторон
экономики,
исходные
предположения,
область
применимости модели, интерпретация входных данных - все это в
значительной степени зависит от интуиции соответствующего специалиста"
[Сборник "Научно-технческое прогнозирование для промышленности и
правительственных учреждений", стр. 78].
С изобретательской точки зрения одним из наиболее интересных
методов является экстраполяция. В простейшем случае суть экстраполяции
состоит в том, что на основе историко-фактических данных строят кривую
роста того или иного показателя, характеризующего развитие технической
системы, и пытаются продолжать эту кривую "в будущее". Этот метод в
сравнительно большей степени основан на фактических, объективных
данных. Беда, однако, в том, что, даже располагая точнейшими данными хотя
бы и за сто лет, мы далеко не всегда можем экстраполировать развитие на 510 лет вперед: кривая иногда неожиданно уходит вверх, иногда столь же
неожиданно идет вниз...
Экстраполяцию применяют издавна (задолго до появления слов
"прогностика", "прогнозирование", "прогностический метод") и уже давно
подметили связанный с ней парадокс. Если какая-то величина возрастает пусть даже и не очень быстро - все равно должен наступить момент, когда
эта величина должна стать нереально большой. Например, количество
конных экипажей (число лошадей на душу населения) в прошлом веке
неуклонно увеличивалось. Если бы в 1875 году мы экстраполировали эту
тенденцию на сто лет вперед, получилось бы, что в первой половине ХХ века
все улицы - от стенки до стенки - должны быть забиты лошадьми, а все
городское население должно превратиться в кучеров...
Когда экстраполяция приводит к таким парадоксам, пессимисты
говорят: "Этого не может быть и не будет!" А оптимисты говорят: "Так и
будет!" Ошибаются и те и другие. Возникшая ситуация очень похожа на
физическое противоречие ("Лошадей должно быть много, лошадей должно
быть мало") - она преодолевается подобно физическому противоречию.
Количество лошадей растет по оптимистическому прогнозу, но это уже не те
лошади (автомобили). Можно привести множество таких примеров (свечи электролампы, парусные корабли - пароходы, самолеты с поршневыми
двигателями - реактивные самолеты и т.д.). В любой книге по научнотехническому прогнозированию можно найти графики в виде "лесенки" (рис.
1). Каждая "ступенька" в такой "лесенке" - это график развития
характеристики какой-либо технической системы.
рис. 1
"Ступенька" быстро поднимается до определенного предела (точка 1),
затем начинается спад. Но характеристика (количество, скорость, к.п.д. и
т.д.) продолжает расти за счет новых "ступенек" (точки 2, 3). В уже
упоминавшемся
сборнике
"Научно-техническое
прогнозирование
для
промышленности и правительственных учреждений" приведены несколько
таких "лесенок": темпы роста энергии ускорителей частиц (стр. 40), к.п.д.
преобразователей энергии (стр. 45), рост скорости транспортных средств
(стр. 65). В книге Р. Эйреса на стр. 133 показана "лесенка" увеличения
мощности авиационных двигателей.
Если к ступенькам построить касательную, мы получим некую
огибающую кривую. Метод этот имеет то достоинство, что заставляет –
несмотря на все «не может быть» - тянуть вверх результирующую
(огибающую) кривую.
Метод огибающих кривых привлекателен тем, что он использует и
отражает ряд объективных закономерностей развития технических систем:
1.
Каждая техническая система развивается сначала медленно
(участок 1 на рис. 2), затем быстро (участок 2), после чего скорость развития
снова замедляется (участок 3) и в дальнейшем начинается спад (участок 4).
рис. 2
2.
Когда первая «ступенька» перестает быстро подниматься вверх,
начинается подъем второй ступеньки, отражающей развитие следующей
технической системы и т.д. Таким образом, хотя пределы развития
конкретной технической системы ограничены, результирующая (огибающая)
кривая может практически неограниченно подниматься вверх.
Техника прогнозирования методом огибающих кривых проста: надо
лишь правильно выбрать показатель, комплексно характеризующий развитие
всей технической системы. Например, если, прогнозируя развитие кораблей,
мы возьмем таким показателем количество мачт на корабле, получится явная
чепуха. Какие надо выбрать характеристики – об этом говорится во многих
книгах по прогнозированию.
Мы не будем останавливаться здесь на том, что уже известно, о чем
можно прочитать в книгах. Мы пойдем дальше и, развивая метод огибающих
кривых, рассмотрим некоторые вопросы, представляющие интерес для
теории решения изобретательских задач.
2.
Итак, кривая развития технических систем (рис. 2) имеет четыре
существенно отличающихся участка. Возникает вопрос: от чего зависит
соотношение между этими участками? Иными словами, чем определяется
положение точек перегиба (α,β,γ) на кривой?
Изучение
кривых
развития
параметров
развития
различных
технических систем (скорости движения самолетов и кораблей, скорости
бурения, роста энергии ускорителей и т. д.) заставляет сразу обратить
внимание на то, что реальные кривые заметно отличаются от ожидаемых
теоретических кривых. Характер различия показан на рис. 3, где пунктиром
изображена теоретическая кривая, а сплошной линией - реальная.
рис. 3
Казалось бы, с момента появления технической системы она должна
неуклонно (хотя и не очень быстро) развиваться до точки α’, т. е. до момента
перехода к массовому применению. На самом деле, в этот период развитие
почти отсутствует; в результате реальный переход к массовому применению
(точка α’’) начинается с опозданием и на более низком техническом уровне.
Период быстрого развития технической системы должен был бы завершаться
в точке β’ - там, где исчерпываются возможности использованного в системе
принципа и обнаруживается экономическая нецелесообразность дальнейшего
развития данной системы. Однако ничего подобного не происходит: реальная
точка β’’ всегда намного выше теоретической β’. Дело в том, что когда
кривая А’’
доходит до уровня 1, в дальнейшем развитии системы
оказываются заинтересованными многие люди. Возникает ИНЕРЦИЯ
ИНТЕРЕСОВ: финансовых, научных (псевдонаучных), карьеристских и
просто человеческих (боязно оставить привычную и обжитую систему).
Могут
спросить,
значит,
инерция
интересов
оказывается
сильнее
экономических факторов? Да, сильнее. Но и сами экономические факторы
умеют приспосабливаться к инерции интересов. ВПЛОТЬ ДО УРОВНЯ 2
СИСТЕМА
ВЫГОДНОЙ
ПРОДОЛЖАЕТ
ЗА
СЧЕТ
ОСТАВАТЬСЯ
РАЗРУШЕНИЯ,
ЭКОНОМИЧЕСКИ
ЗАГРЯЗНЕНИЯ
И
ХИМИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ.
Типичным примером может служить идущее ныне строительство
больших танкеров. Всем известно, что катастрофа с танкером "Терри
Каньон" (120 тыс. тонн нефти попали в море) привела к тяжелейшим
последствиям для побережий Англии и Франции. С тех пор океан не стал
спокойнее, мореплавание не стало безопаснее, а средства борьбы с разлитой
при аварии нефтью не стали эффективнее. Но уже построены танкеры в
полмиллиона тонн: кривая А’’ идет к уровню 2. Экономичность (т.е. прибыль
судовладельцев) обеспечена за счет ущерба внешней среде. Число больших
танкеров увеличивается, скорость хода тоже возрастает (хотя до сих пор нет
эффективного решения проблемы торможения) - неуклонно растет опасность
суперкатастрофы. "Сегодня мне это выгодно, а на остальное наплевать" - это
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 одному - от стенки до стенки.
Теоретически пока кривая А’ поднималась вверх к уровню 1, кто-то
должен был развивать техническую систему Б’ так, чтобы ее точка подъема
α’Б совпала бы с точкой β’ кривой А’ и был бы обеспечен постоянный
бесступенчатый подъем. На самом деле, реальная кривая Б’’ начинает
ощутимо подниматься только тогда, когда кривая А’’ поднялась выше уровня
2 и приблизилась к уровню 3 (пример: работа над "чистым" автомобилем). А
быстрый подъем кривой Б’’ происходит лишь после того, как кривая А’’
миновала точку γ и пошла на спад.
3.
Приступая к прогнозированию развития технической системы, мы не
всегда имеем возможность собрать сведения о ходе ПРЕДЫДУЩЕГО
развития и построить график. Тут могут быть три случая:
рис. 4
1. ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЕЩЕ НЕ ДОШЛА ДО ТОЧКИ α. В
этом случае вопрос заключается в обнаружении точки α. Типичная ошибка
состоит в том, что эту точку пытаются прогнозировать, исходя из
возможностей развития данной технической системы. На самом деле, точка α
для данной технической системы наступит не раньше, чем начнет
"вымирать" ПРЕДШЕСТВУЮЩАЯ техническая система, существование
которой сдерживает развитие молодого "конкурента". Так, например,
"послеавтомобиль" (т.е. техническая система, которая сменит автомобиль)
сможет интенсивно развиваться лишь тогда, когда развитие автомобиля
дойдет до физического предела (уровень 3 на рис.3). Если бы сегодня в
развитие, например, электромобиля была бы вложена 1/10 тех средств и
усилий, которые вкладываются в развитие автомобиля, электромобиль
быстро достиг бы точки α. Но этого не произойдет: автомобиль еще может
развиваться между уровнями 1 и 2 - и будет развиваться, хотя это развитие
идет за счет окружающей среды.
Итак, прогнозируя развитие технической системы НА НАЧАЛЬНОМ
ЭТАПЕ (до точки α), надо ориентироваться на состояние предшествующей
технической системы.
2. ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПРОШЛА ТОЧКУ α, НО НЕ
ДОШЛА ДО ТОЧКИ β. В этом случае прогнозирование состоит в
определении уровней 2 и 3. В крайнем случае, достаточно определить только
уровень 3, потому что существует отчетливо выраженная (хотя и
прискорбная) тенденция к уменьшению расстояния между уровнями 2 и 3.
Определение физических пределов обычно не вызывает особых затруднений:
физические пределы связаны с объективными и лежащими на виду
факторами (например, прочностные свойства материалов, калорийность
топлива, различные барьеры - звуковой, тепловой и т.д.).
3. ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПРОШЛА ТОЧКУ β (ИЛИ γ). В
этой ситуации прогноз сводится к отысканию новой технической системы, к
которой должна перейти "эстафета". И хотя сама по себе неизбежность
замены одной технической системы другой абсолютно очевидна, во многих
случаях возникают психологические барьеры: предел развития данной
технической системы воспринимается как предел вообще. Тут действует
кажущаяся очевидность. Например, в тридцатые годы в развитых странах
быстро росло количество кинотеатров на душу населения. Но казалось
совершенно очевидным, что спад начнется задолго до того, как на каждого
человека придется один кинозал. На самом деле этого не произошло,
появились телевизоры ("кинозалы на одного человека").
Тут следует обратить внимание на чрезвычайно важную особенность:
телевизор не только кино, но и показ событий и разного рода аттракционов
(вроде КВН), трибуна для выступлений, "газета в картинках" и т.д.
Телевидение стало следующей после кино "ступенькой", вобрав его в себя в
качестве ПОДСИСТЕМЫ. Простое же домашнее кино (с кинопроектором)
массового распространения не получило и не дошло до точки α.
СИСТЕМА Б ПРИХОДИТ НА СМЕНУ СИСТЕМЕ А, ВКЛЮЧАЯ
ЕЕ В КАЧЕСТВЕ ОДНОЙ ИЗ ПОДСИСТЕМ - этот прием используется
системой Б, чтобы преодолеть давящее действие системы А, преодолеть
блокирующее влияние инерции интересов.
Остроумный способ преодоления противоречия: система А сохраняется
и не сохраняется...
На смену автомобилю придет не электромобиль, а система, которая
будет включать автомобиль (или эквивалентное ему действие) в качестве
одной из подсистем.
Любопытно, что в прогностике еще не открыли этот закон.
Рассматривая, например, кривую роста выпуска бытовых холодильников,
прогнозисты рассуждают о том, что "должно наступить насыщение" и что
"не может быть 10 холодильников на одного человека". На самом деле,
холодильники будут и не будут - они войдут в качестве подсистемы в более
универсальную техническую систему (агрегат, являющийся кондиционером
воздуха, и холодильником, и плитой): в пересчете на условные услуги это и
будет 10 холодильников на одного человека...
Закон "Техническая система поднимается на качественно новый
уровень, становясь подсистемой более универсальной системы" чрезвычайно
важен для понимания механики развития технических систем. Чтобы
правильно применить этот закон при прогнозировании развития технических
систем, нужно твердо помнить, что развитие неодолимо: техническая
система будет развиваться, несмотря на все "невозможно", но в другом
(подчас неузнаваемом) обличии (став подсистемой другой системы). Тут
часто приходится встречаться с сильными психологическими барьерами.
4.
На втором курсе АзОИИТ слушателям было дано домашнее задание спрогнозировать (разумеется, в самых общих чертах) дальнейшее развитие
танкерного флота, кривая развития которого (рост суммарного тоннажа)
ныне находится где-то между точками α и β. На лекции было рассказано
(хотя и специально без подчеркивания) о законе "идти вверх, становясь
подсистемой". Однако в домашних работах никто не использовал этот закон.
Гипнотизирующее действие "очевидности" оказалось слишком сильным: все
работы исходили из того, что нынешние высокие темпы роста общего
тоннажа танкерного флота не могут сохраняться долгое время. Сохранение
этих темпов привело бы к тому, что через 20-30 лет танкеров бы было
больше, чем всех кораблей (включая танкеры) вместе взятых. А это
невозможно: часть не может быть больше целого...
Исходя из этой "очевидности" и велось прогнозирование. Выдвигались
идеи типа "танкеров будет мало, но они будут быстроходными", "снизится
потребность в нефти", "вместо танкеров будут нефтепроводы" и т.д.
Главное преимущество танкеров - дешевизна перевозки. Поэтому
танкеру не нужна быстроходность, за которую приходится расплачиваться
повышением
стоимости
перевозки.
Нельзя
ожидать
в
ближайшие
десятилетия спада спроса на нефть. Уже давно нефть не только топливо, но и
сырье для химической промышленности. Нет никаких оснований считать,
что трансокеанские нефтепроводы (если бы их удалось построить) оказались
надежнее и безопаснее танкеров, опыт пока свидетельствует об обратном. В
1974 г., например, прорвался подводный нефтепровод фирмы "Шелл". За
сутки поверхность реки была покрыта нефтью на расстоянии 140
километров. В 90 км от места аварии было замечено множество погибших от
нефти водоплавающих птиц (журнал "Морской флот" N1, 1975, стр. 62).
"Танкеров должно быть много и танкеров должно быть мало" - мы
имеем дело с противоречием, и нельзя рассматривать только одну его
половину ("танкеров должно быть мало, потому что их вытеснят
нефтепроводы"). Правильное решение всегда удовлетворяет обеим сторонам
противоречия.
"Много" - в пределе означает "весь флот". А "мало" в пределе означает
"ни одного корабля". Весь флот и ни одного корабля... То есть весь флот при
необходимости должен уметь превращаться в танкерный (нефтевозный) и
снова становиться не-танкерным. Это снимает противоречие. И это
соответствует закону "развиваться, становиться подсистемой".
Технически есть несколько путей создания "многоцелевого" флота.
Один из путей - постройка составных судов, в которых маленькая
двигательная секция ("локомотив") присоединяется к большой грузовой
части ("состав"). Грузовых частей может быть больше, чем двигательных
секций (вагонов больше, чем локомотивов): осуществится казавшаяся
невероятной ситуация "танкеров больше, чем всего флота" (О составных
судах см., например, В.Я. Ходырев, Л.Г. Соколов. Новые морские суда. Изд.
"Знание", 1974).
Возможен и другой путь: постройка кораблей, способных перевозить
любые грузы в стандартных емкостях. Вот одно из многих сообщений:
"Норвежским инженером В. Тонеландом подана заявка на патентование
новой схемы судна для перевозки наливных грузов, которые помещаются в
цилиндрических
емкостях
большой
вместимости
(5000
м.
куб.).
Спроектированное по этой схеме судно напоминает по архитектурному типу
танкер и имеет в корме большие водонепроницаемые ворота для загрузки
емкостей" (Журнал "Морской флот" N12, 1974, стр. 52). В емкостях может
быть любая жидкость или любой сыпучий груз: танкера (нефтепровоза) нет и
он есть...
5.
Закон "развиваться, становясь подсистемой", по-видимому, имеет
фундаментальное значение не только в технике, но и в развитии любых
объектов - от элементарных частиц до галактик.
6.
На рис. 5-а показана типичная кривая развития технической системы
(точнее, ее основных характеристик - производительности, скорости и т.д.).
Интересно сопоставить этот график с кривыми, характеризующими чисто
изобретательские показатели.
Рис. 5-а
На рис. 5-б изображена типичная кривая изменения количества
изобретений, относящихся к данной технической системе.
Рис. 5-б
Первый пик соответствует точке α (на графике 5-а): число изобретений
увеличивается в период перехода к массовому применению системы. Второй
пик на графике 5-б обусловлен стремлением продлить жизнь системы.
Рис. 5-в
Изменение уровня изобретений показано на рис. 5-в. Первые
изобретения, создающие основу новой технической системы, всегда
высокого уровня. Постепенно уровень изобретений снижается. Пик на
графике соответствует изобретениям, которые обеспечивают системе
возможность массового использования. За этим пиком - спад: уровень
изобретений неуклонно снижается, приближаясь к нулю. А тем временем
появляются новые изобретения высокого уровня, относящиеся к системе Б.
Рис. 5-г
Наконец, на графике 5-г показано изменение средней эффективности
(практической отдачи, экономии", "пользы") от одного изобретения в разные
периоды развития технической системы. Первые изобретения, несмотря на
их очень высокий уровень, не дают живой прибыли: техническая система
существует на бумаге или в единичных образцах, в ней много мелких
недостатков и недоработанностей. Прибыль начинается после перехода к
массовому применению. В этот период даже небольшое усовершенствование
приносит большую "экономию" и, соответственно, большое вознаграждение
авторам. Доходы в изобретательстве получают не те, кто сеял...
Научная
организация
изобретательского
творчества
неизбежно
потребует перестройки самих принципов планирования, реализации, оценки
и оплаты изобретений. И основой для правильного решения этих вопросов
будет знание объективных закономерностей развития технических систем.
ПРИМЕЧАНИЕ ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЕЙ
До изложения этого материала слушатели должны быть в общих чертах
познакомлены с основными понятиями и методами прогнозирования. На это
целесообразно затратить одно занятие. Следующее занятие надо специально
посвятить методу огибающих кривых. Для этого целесообразно использовать
отличную статью Р. Эйреса "Прогнозирование на основе огибающих
кривых", помещенную в уже упоминавшемся сборнике "Научно-техническое
прогнозирование для промышленности и правительственных учреждений".
Далее можно переходить к проработке изложенного выше материала,
разделив его на два занятия. Между этими занятиями полезно дать
слушателям домашнее задание на прогнозирование развития какой-то
конкретной технической системы, например наручных часов (какая
техническая система придет на смену им?). Это позволяет получить
дополнительный материал для разбора на занятии.
18.04.75.