5 марта 2017 г.

Логвинов С.А. Алгоритм выявления принципа действия ТС на основе функционального анализа

 

С.А.Логвинов
Алгоритм выявления принципа действия ТС на основе функционального и потокового анализа
Наряду с понятием «техническая система», понятие «принцип действия» является одним из основных понятий ТРИЗ. Оно является основой для определения уровня изобретений и построения S-образных кривых. Как правило, интуитивного определения принципа действия вполне достаточно для использования большинства классических ТРИЗ-инструментов. Однако, для успешного применения некоторых современных ТРИЗ-инструментов необходимо более формальное определение принципа действия (ПД) технической системы (ТС). К сожалению, в настоящее время отсутствует общепризнанный способ выявления и формулирования ПД ТС.
Уточним методические инструменты, требующие более формального определения ПД ТС. Это:
·         Функционально-ориентированный поиск
·         Объединение альтернативных систем
·         Прогнозные инструменты
Для чего необходимо определение ПД? Прежде всего, для сравнения и классификации ТС. Т.е ПД не является «инструментом абсолютного описания ТС», способом «записать формулу ТС». Скорее, это  инструмент сравнения ТС, инструмент поиска сходств и различий анализируемых ТС. При решении практических задач мы никогда не сравниваем транзистор и бульдозер. Как правило, сравниваем системы, которые, в зависимости от условий задачи и уровня рассмотрения, могут рассматриваться как имеющие одинаковый ПД или как существенно отличающиеся. Проделаем простой мысленный эксперимент – поставим рядом самолет и вертолет и попытаемся сравнить их принцип действия. Автор неоднократно провоцировал обсуждение этого примера и убедился, что удовлетворяющего всех ответа на этот вопрос не существует.
Сделаем следующий шаг в нашем мысленном эксперименте. Поставим рядом третью техническую систему – дирижабль. Появление третьего объекта сразу вносит ясность в запутанные отношения между первыми двумя объектами. Несомненно, самолет и вертолет имеют одинаковый ПД – подъемная сила создается за счет движения одного из элементов ТС относительно воздуха. А в дирижабле подъемная сила статическая, создается за счет силы Архимеда.
Тем не менее, остается интуитивное ощущение неполного описания ситуации. Все таки самолет и вертолет очень разные системы. Наша интуиция подкрепляется объективными фактами. Эти две ТС существенно различаются по техническим (скорость полета) и даже экономическим параметрам (стоимость эксплуатации этих систем различается в разы). И, наконец, главный аргумент – вертолет способен к зависанию, а самолет нет. Как могут так сильно отличаться технические системы с одинаковым ПД?
Для поиска ответа спустимся на один уровень системного рассмотрения – сравним элементы, создающие поъемную силу (крыло самолета и несущий винт вертолета). Физический механизм их работы совпадает. Однако, в самолете крыло неподвижно относительно центра масс ТС, а в вертолете винт вращается относительно центра масс. Теперь можно сделать общий вывод – самолет и вертолет имеют одинаковый ПД на уровне ТС и имеют разный принцип действия на уровне рабочего органа, создающего подъемную силу.
Отметим две очень интересные детали:
Первая. Самолет и вертолет отличаются от дирижабля по способу реализации одной из главных функций. Здесь функциональный подход к формулированию ПД вполне работоспособен. А вот различие самолета и вертолета уже не описываются физическим способом реализации ГФ. В обеих системах используется подъемная сила, возникающая при движении крыла (лопасти) относительно воздуха. Различие лежит скорее в параметрах, описывающих эти функции. В самолете крыло движется по линейной координате, совпадающей с направлением движения центра масс. А в вертолете движение осуществляется по угловой координате. Это ограничение функционального подхода представляется очень важным для понимания.
Вторая. Для того, чтобы разобраться с «отношениями» двух ТС, нам понадобилась третья ТС, существенно от них отличающаяся. Этот весьма неожиданный для автора результат, как оказалась, довольно давно известен и описан теорией личностных конструктов Джоржа Келли. Согласно этой теории, когнитивный процесс наблюдения сходства и различий приводит к формированию т.н. личностных конструктов – шаблонов, с помощью которых человек распознает и прогонозирует события. При этом для формирования конструкта необходимы, по крайней мере, три элемента (явления или предмета): два из элементов конструкта должны быть похожими друг на друга, а третий элемент должен отличаться от этих двух. В нашей ситуации таким третьим элементом стал дирижабль.
Сделаем практические выводы:
·         Формальное описание ПД отдельной ТС представляет собой чисто академическую задачу. В практических задачах, как правило, сравнивается ПД двух (или более) ТС
·         Сравнение ПД ТС целесообразно вести минимум на двух системных уровнях. Наиболее интересна ситуация, когда на  верхнем уровне ПД совпадает, а на нижнем уровне – отличается. Именно этот системный уровень должен подробно анализироваться. Именно здесь находится объяснение отличия MPV сравниваемых систем.
·         Для облегчения формулирования ПД целесообразно вводить в рассмотрение третью ТС, существенно отличающуюся от анализируемых.
Отдельно рассмотрим как проявляются границы применимости функционального подхода. Определение принципа действия ТС целесообразно вести на основе идентификации физического механизма реализации ГФ ТС. Идентификация физического механизма осуществляется в следующей последовательности:
Шаг 1. Определяем физический эффект (превращение), реализующее ГФ ТС.  Если эти эффекты различны, формулируем различие ПД ТС. Если эффекты совпадают, а ТС явно различаются – переходим к следующему шагу.
Шаг 2. Определям особенности параметров ГФ. Если наборы параметров ГФ качественно различны, формулируем различие ПД ТС. Если наборы параметров ГФ совпадают, а ТС явно различаются – переходим к следующему шагу.
Шаг 3. Определение структуры потоков, реализующих ГФ ТС. Если структуры потоков, реализующих ГФ различны, формулируем различие ПД ТС. Если структуры потоков, реализующих ГФ совпадают, а ТС явно различаются – переходим к следующему шагу.
Шаг 4. Определение параметров потоков, реализующих ГФ ТС. Если парметры потоков, реализующих ГФ качественно различны, формулируем различие ПД ТС. Если параметры потоков, реализующих ГФ совпадают, а ТС явно различаются – переходим к следующему шагу.
Шаг 5. Определяем влияние свойств материалов, применяемых в ТС, на работу системы в целом.
Рассмотрим эти шаги подробнее.
Шаг 1 достаточно очевиден. Например, с его помощью хорошо классифицируются источники света. Лампа накаливания, газоразрядная лампа и светодиод основаны на разных физических эффектах и имеют разный ПД.
Шаг 2 рассмотрен выше. Отличие ПД самолета и вертолета лежит в области параметров ГФ. В целом этот шаг эффективен именно при различии пространственных характеристик ГФ сравниваемых ТС. Другой интересный пример – сравнение перфоратора и монтажного пистолета. Обе ТС имеют рабочий орган, ударяющий в бетон или кирпич. Т.е. реализуется механическое разрушение материала твердым инструментом. Однако, сверло перфоратора имеет относительно низкую скорость и просто крошит бетон. Дюбель монтажного пистолета имеет высокую скорость, поэтому проникает в бетон без выкрашивания фрагментов материала. Понятие «высокая скорость» в этом случае имеет совершенно четкий физический критерий. Скорость дюбеля превышает скорость распространения трещины в материале. Поэтому строительный пистолет реализует качественно иную модель взаимодействия рабочего органа с материалом и, соответственно, имеет отличающийся ПД.
Шаг 3 рассмотрим на примере двухконтурного турбореактивного двигателя и турбовинтового двигателя. Эти две ТС имеют одинаковый набор физических эффектов, реализующих ГФ. Однако структура потоков в этих двигателях существенно отличается . Именно структура потоков первого и второго контура обеспечивает низкую шумность двухконтурных двигателей.
Шаг 4 рассмотрим на примере двухконтурного турбореактивного двигателя и турбовентиляторного двигателя. Имея одинаковую структуру потоков, они отличаются только степенью двухконтурности, т.е. соотношением парметров потоков. У двухконтурного турбореактивного двигателя степень двухконтурности не превосходит 2. У турбовентиляторных двигателей степень двухконтурности может достигать 4-6. В результате турбовентиляторные двигатели имеют меньший удельный вес по отношению к взлетной тяге и меньший удельный расход топлива в широком диапазоне дозвуковых скоростей полетах.
Шаг 5 позволяет эффективно анализировать ТС, имеющие одинаковый набор физэффектов и одинаковую структуру потоков. Зададимся простым вопросом – чем отличается ПД свинцово-кислотного от ПД никель-кадмиевого аккумулятора? Они аналогичны на функциональном и потоковом уровне. Однако обладают абсолютно разными эксплуатационными свойствами, и, как следствие, занимают разные рыночные ниши. Это различие становится легко понятным, если мы включим в определение ПД особенности материалов системы. Это может вызвать закономерное возражение – как можно включать свойства материала в понятие «принцип действия»? Ведь мы говорим именно о принципе, т.е. о чем то общем, не сводимом к частным свойствам элемента ТС. Тем не менее, существуют ТС, свойства которых (а иногда и сама возможность функционирования) всецело определяются свойствами материалов, использованных в ТС. Приведу несколько примеров:
-большинство электрохимических систем основаны на частных особенностях свойств конкретных материалов. Любопытная деталь – аккумуляторы одного электрохимического типа могут иметь множество конструктивно-технологических особенностей. Однако их рабочее напряжение будет одинаковым и определяться только потенциалами окисления и восстановления электродных материалов.
-свойства всех полупроводниковых приборов определяются свойствами полупроводникового материала (прежде всего – шириной запрещенной зоны). И появление коммерчески доступных материалов с новым набором свойств приводит к появлению новых ТС. Например, светодиоды появились только после того, как промышленность освоила прямозонные полупроводники A3B5. А голубые светодиоды (и бурное развитие светодиодного освещения) было бы невозможно без нитридов галлия/индия
-развитие авиации четко описывается линией дерево/полотно – алюминий – титан – композиты. Именно развитие основных конструкционных материалов обеспечивало качественные скачки MPV авиационных ТС. И в некоторых случаях мы имеем все основания считать деревянный самолет имеющим иной принцип действия, нежели композитный.
В завершение следует отметить, что заложенная в Шаг 5 идея выявления ПД на основе свойств материалов имеет любопытное развитие в свете расширяющегося применения «умных материалов». В этом случае материалы становятся носителем некой функции и мы фактически возвращаемся к Шагу 1 – классификации на основе механизма реализации ГФ системы.