litceysel.ru
добавить свой файл
1
Релевантные модели ТС. Алгоритм построения и анализ


А.Г. Кашкаров

Ключевые слова: модель, потоки, вещественно-энергетические преобразования, причинно-следственная структура, принцип действия.


Введение

Существующие методики ТРИЗ-ФСА [1- 6], бесспорно способствуют решению технических проблем, однако они иногда оказываются недостаточно эффективными. Это происходит если модели технической системы (ТС) носят фрагментарный или поверхностный характер, что влечет за собой затруднение восприятия общей картины функционирования и недостаточную глубину анализа. До сих пор насущна проблема объективного выявления противоречий для АРИЗ. Пробелами существующей методологии являются отсутствие конкретных алгоритмов выполнения ряда аналитических процедур, например, диагностического [3], энергетического [4,5] и причинно-следственного [6] анализа ТС, а также слабые взаимные связи моделей, строимые в разных методиках, и слабые логические связи самих аналитических инструментов. Эти пробелы необходимо заполнить новыми методиками моделирования и анализа ТС. При этом важно, чтобы методики стали единым универсальным механизмом, выводящим на актуальные ключевые задачи и противоречия ТС, а не набором отдельных инструментов.

Методичное решение изобретательских задач - это итерационный процесс, включающий в себя шаги: анализ исходных проблем, формулирование целевых недостатков, моделирования ситуации, анализ моделей, выявление скрытых недостатков, уточнение их причин, формулирование задач, углубление анализа путем исследования подсистем и выхода в надсистемы, расширение или сужение области анализа, построение и анализ моделей на основе новых знаний, применение методических инструментов для преобразования изобретательской ситуации, переформулирование задач и т.д. Этот процесс длится до тех пор, пока решение не станет очевидным. Один из важнейших этапов решения задачи при анализе изобретательской ситуации в ТС является построение и анализ релевантных моделей ТС [8-10]. Модели должны обладать преемственностью при переходе от одного методического инструмента к другому. Они должны быть наглядными и отображать физические процессы, происходящие в компонентах ТС. Модели ТС должны быть основой анализа, выводить на постановку ключевых задач и подсказывать решения проблем, а не быть только интерпретацией результатов анализа и умозрительных заключений. При анализе качественно построенной модели ТС можно ожидать выявления действительно насущных проблем ее функционирования. Чем больше модель приближена к физической картине процессов, происходящих в ТС, тем глубже понимание проблем и анализ, тем ближе можно подойти к постановке "правильной" [7] задачи или спектра задач, тем быстрее может быть получен желаемый результат – технические и физические противоречия, которые, по своей сути, являются гипотетическими моделями решенной задачи. Именно алгоритмизированному построению релевантных моделей ТС, их анализу и постановке задач на совершенствование ТС посвящена настоящая статья. Она является сокращенным вариантом диссертации на соискание звания Мастер ТРИЗ "Вещественно-энергетические преобразования в ТС. Методика построения и анализа моделей" [10], в которой построение моделей ТС и их анализ сведены в единый алгоритм.


Принципы построения релевантных моделей ТС

Для того, чтобы модели ТС стали релевантными они должны, с одной стороны, являться наглядными причинно-следственными схемами, демонстрирующими принципы работы и процессы, происходящие в ТС, и проявлять недостатки функционирования ТС. С другой стороны, модели должны быть системой баз данных, отражающих: структуру ТС, свойства и параметры компонентов ТС и их связей, результаты взаимодействия компонентов, изменение параметров компонентов при работе ТС, параметры потоков вещества, энергии, полей и сил, а также их изменение и преобразование в пространстве и во времени.

Ниже предлагаются правила и рекомендации последовательного построения моделей, отображающих сущность процессов в ТС и в ее компонентах, причем ряд известных методик построения моделей и их анализа углублен и дополнен новыми инструментами.

М

одели ТС строятся в следующем порядке: компонентная, структурная, функционально-стоимостные, потоковые и динамические вещественно-энергетических преобразований. При этом каждая из моделей является основой для последующих моделей и их дополнением. Совокупность всех перечисленных моделей ТС образует структуру, удобную для проведения различных аналитических процедур, в том числе, для причинно-следственного анализа и выявления противоречий. Принципы построения и анализа моделей фрагментарно проиллюстрированы на учебном примере: перелив в Системе подпитки окрасочной ванны (Рисунок 1). Более подробный алгоритм построения и анализа моделей описан в работе [10].

Рисунок 1. Учебный пример: Система подпитки окрасочной ванны

Построение Компонентной и Структурной моделей ТС

Для представления компонента в виде его графической модели компонент принято условно изображать в виде прямоугольника с названием, демонстрирующим его назначение. Существующие методики построения Компонентной и Структурной моделей [3] сводятся к дроблению ТС на компоненты, определению объектов назначения ТС, выявлению компонентов надсистемы, составлению матрицы взаимодействий компонентов и формированию структурной модели в графическом виде.


Первой особенностью предлагаемой методики построения Компонентной модели является дробление компонентов, являющихся потоками вещества или потоками продуктов, на ряд фрагментов, например, по числу их значимых состояний. Такое дробление необходимо для демонстрации одновременных изменений параметров фрагментов потоков в пространстве. Пример представления компонента-потока приведен на Рисунке 2.

Рисунок 2. Форма представления компонента - потока вещества

Д

ругой отличительной особенностью предлагаемой методики является введение виртуальных компонентов в областях возникновения каких-либо особых процессов, явлений или "серых зон", например, контактных явлений. Пример представления виртуального компонента приведен на Рисунке 3.



Рисунок 3. Представление «особой» области виртуальным компонентом



Для исследования проблемной области виртуальный компонент должен обладать как отдельными свойствами взаимодействующих компонентов, так и собственными свойствами, обуславливающими их особое проявление.

После определения перечня объектов назначения ТС, компонентов ТС и надсистемы предлагается дополнительно раскрыть сущность компонентов. При этом, каждому компоненту ТС и надсистемы должен быть поставлен в соответствие перечень данных - их свойств, которые могут проявляться при взаимодействии с другими компонентами или с течением времени (физические свойства, параметры и диапазон их изменений в процессе функционирования, а также значимые состояния компонентов: устойчивые и переходные). Определение числа значимых энергетических состояний компонентов позволит выделить режимы работы ТС, необходимые для разделения моделей во времени. Свойства и параметры компонентов предлагается отображать в табличной форме. Пример формы приведен в Таблице 1.


Таблица 1

Компонентная модель (фрагмент)

Свойства

Компонент

Габарит-ные

Механи-ческие

Хими-ческие

Пневма-тические

Гидрав-лические

Тепло-вые

Электри-ческие

Магнит-ные

Состояние Режим

Выключатель




+










+

+




2+ 2 перех.


Построение Функциональной модели

На этапе функционального моделирования, как это принято в ФСА [3], при рассмотрении каждой связи компонентов структурной модели формулируются функции - действия одного объекта на другой, направленные на изменение или поддержание определенного параметра, проявляющего какое-либо свойство объекта. Дополнительная рекомендация: при функциональном моделировании раскрывать сущность связей - сопряжений взаимодействующих компонентов. При описании каждого сопряжения определяются его свойства, значимые состояния в пространстве и во времени, параметры и диапазон их изменений в процессе функционирования. Эти сопряжения могут быть контактными (механическими) или полевыми, статическими или динамическими.

При формулировании функций целесообразно ориентироваться на сущности сопряжений и компонентов, раскрытые на предыдущем этапе моделирования. Функции отображаются на функциональной модели в графической (Рисунок 4.) и в табличной форме. Свойства и параметры сопряжений относительно этих действий можно отображать в табличной форме, например, в дополнительной графе функциональной модели.






Рисунок 4. Графическое представление фрагмента функциональной модели



Кроме адресного формулирования функций, особенностью предлагаемого функционального моделирования является формирование нескольких графических функциональных моделей, соответствующих разным режимам работы, если таковые выявлены, хотя это может быть осуществлено и на следующем этапе моделирования. Определить значимые режимы работы можно при анализе изменения свойств и параметров сопряжений во времени и изменения состояний компонентов по компонентной модели.

Ранжирование функций и определение уровня выполнения функций на этапе функционального моделирования рекомендуется не проводить. Эта рекомендация вызвана тем, что названные логические операции, захватывая фрагменты причинно-следственного анализа, носят субъективный характер и не всегда однозначны. Одна и та же функция для разных следствий или для разных режимов работы может быть одновременно как полезной, так и "вредной", или одновременно характеризоваться как избыточным уровнем выполнения, так и недостаточным. Такие противоречивые ситуации на этапе функционального моделирования выявить очень не просто. Их выявлению препятствуют отсутствие полной картины происходящих в ТС процессов и отсутствие визуализированной причинно-следственной структуры ТС.

Построение динамических моделей

Процессы, происходящие как в любой ТС и ее компонентах, так и при взаимодействии ТС с надсистемными объектами, подчиняются физическим законам и могут быть интерпретированы с помощью известных физических эффектов. Эффекты обусловлены свойствами компонентов и их связей, отражающих изменения вещества и энергии. Динамическая модель должна представлять условную взаимосвязь изменения действий в системе, сопровождающихся взаимосвязью изменений различных параметров компонентов ТС в пространстве и во времени. Любое изменение параметра любого компонента ТС происходит в результате действий, которые являются проявлением полей, сил, потоков энергии. Эти входные направленные энергетические воздействия, проходя через компонент, преобразуются в выходные действия полей, сил и потоков энергии. Для полного представления картины процессов, происходящих в ТС, необходимо каждый ее компонент рассмотреть с точек зрения как связей с другими компонентами, так и изменения в нем материи, движения, силы и внутренних преобразований в пространстве и во времени. Другими словами, предлагается каждый компонент ТС рассматривать не как «черный ящик», имеющий ряд параметров, а как сопряженный с другими компонентами преобразователь сил, полей, потоков энергии и веществ на основе эффектов и сопутствующих им явлений, отражающих совокупность физических и химических свойств компонента.



Построение модели Вещественно-Энергетических Преобразований ТС

Динамическая модель, отражающая вещественно-энергетические преобразования в ТС, должна содержать модели компонентов и модели их взаимодействий, причем модели взаимодействий компонентов должны отображать распространение энергий, полей, сил и веществ, а модели компонентов - распространение, взаимодействие и преобразование воздействующих на компонент полей сил, потоков энергии и веществ.

О

сновой для построения динамической модели может являться функциональная модель либо ее интерпретация на разных режимах работы. При переходе от функциональных моделей к динамическим моделям на первом этапе каждая функция модифицируется в соответствующие ей поток энергии (иногда вещества), поле или силу. Эти потоки имеют конкретное направление действия. Другими словами, пиктограмма функции, изображаемая стрелкой, соединяющей компоненты в графической модели, с названием действия, модифицируется в пиктограмму - стрелку с наименованием потока
1: вида энергии, поля, силы или вещества (Рисунок 5.). В табличной модели может указываться тип воздействия (входное или выходное) и значение его параметров. Пример формы приведен в таблице 2.



Рисунок 5. Графическое представление модифицированной
функциональной модели, отображающей элементарные потоки



Таблица 2

Модифицированная функционально-энергетическая модель

Компонент-субъект

Действие

Компонент-объект


Параметр объекта

Параметр сопряжения

Поток:
Вид поля, силы или энергии

Параметр потока


Состояние,
Режим работы

мотор

нагревать

насос

темпера-тура

тепловое сопротив-ление

тепловая энергия

мощность

подпитка ванны краской

Далее раскрывается сущность процессов, происходящих в каждом компоненте при разных режимах работы ТС. Выявляются физические эффекты, отражающие преобразования в каждом компоненте входных энергетических воздействий в выходные и их взаимная обусловленность. При этом в модели каждого компонента сначала отмечаются связи одиночных входных энергетических воздействий с выходными, названные элементарными эффектами. Преобразования потоков энергии, полей, сил и вещества, происходящие в компоненте, предлагается предварительно отображать в виде связей входных и выходных потоков (линиями или стрелками). Динамические модели, отображающие эти связи, представляются в графической (Рисунок 6.) и табличной (таблица 3.) форме.

Таблица 3

Динамическая модель в табличной форме (фрагмент)

Компонент
источник

Входной
поток

Компонент-
преобразователь

Выходной поток

Компонент потребитель

Связь преобразований

Режим


выключатель

эл. энергия

мотор

мех. энергия

насос




подпитка

выключатель

эл. энергия

мотор

тепл. энергия

воздух




постоянно





Рисунок 6. Графическое представление динамической модели,
отображающей связи входных и выходных энергетических воздействий



Затем уточняются физические эффекты, формирующие преобразования полей, сил, потоков энергии и вещества в компоненте, и их взаимные влияния. Для выявления связей элементарных эффектов в компоненте необходимо определить и отметить взаимное влияние разных потоков, проходящих через компонент, и/или условий выполнения преобразования потока, например, под действием поля. Необходимо помнить, что в природе нет идеальных веществ и эффектов, при которых одно входное воздействие преобразовывалось в одно выходное, так как даже при передаче энергии или силы есть потери (100% кпд не бывает). Несмотря на это, мало значимые воздействия и преобразования из моделей можно исключить, поскольку модель - это всегда упрощенное отображение реального объекта.

Все процессы, происходящие в компоненте, можно интерпретировать в их модели на основе понятий: Аккумуляция, Суперпозиция и Модификация (Мутация). При этом все физические эффекты, преобразования и взаимные влияния полей, сил, потоков энергии, вещества и информации в компоненте могут быть наглядно представлены с помощью малого числа связанных стандартных пиктограмм. Примеры их изображения приведены на Рисунке 7, при этом стрелками показываются направления входных и выходных воздействий.






Рисунок 7. Графическое представление пиктограмм процессов

Для интерпретации компонента системой вещественно-энергетических преобразований достаточно проанализировать взаимосвязи отдельных преобразований потоков, и отобразить их соответствующими пиктограммами (рисунок 7.). Иллюстрация графического представления фрагмента динамической модели, отображающей процессы в компонентах для учебного примера ТС, представлена на Рисунке 8. При интерпретации преобразований в компонентах ТС целесообразно учитывать внутренние источники и приемники, обусловленные свойствами компонентов, а также задержки и инерционности потоков. При разных режимах работы в одном компоненте эффекты могут иметь разные количественные характеристики или могут проявляться разные эффекты. Именно поэтому, для упрощения представления и понимания процессов, происходящих в ТС, модели должны быть разнесены по времени и представлены на разных режимах работы ТС.




Рисунок 8. Графическое представление фрагмента динамической модели, отображающей процессы в компонентах



В результате проведенных операций формируются динамические модели ТС, отображающие вещественно-энергетические преобразования в пространстве и во времени. Эти модели также являются совокупностью потоковых моделей, так как в них неразрывно отображены вещественно-энергетические потоки с параметрами и их преобразования.

Для проверки корректности составления моделей необходимо проследить сквозной проход и преобразования энергии, веществ-потоков, сил и полей от компонентов-источников через компоненты-преобразователи до компонентов-потребителей при каждом режиме работы. При выявлении разрывов необходимо откорректировать модели. Для углубленного моделирования пространственная интерпретация отдельных процессов и преобразований может быть дополнительно представлена в виде двумерных распределений, а временная интерпретация - в виде согласованных временных диаграмм.


Анализ моделей

Построенная по выше приведенным правилам динамическая модель является моделью организации функционирования ТС, в которой установлены сквозные зависимости изменений потоков и параметров, их энергетических характеристик и проявление физических эффектов, как в компонентах, так и в областях их сопряжения при функционировании ТС совместно с объектами надсистемы. Поэтому на графической интерпретации динамической модели просто выделить и проанализировать принцип действия ТС [10]. Динамическая модель обуславливает взаимосвязанную совокупность потоковых моделей, включающих в себя изменения параметров движения и состояния объектов, преобразования различных форм и видов энергии, изменения сил, преобразования вещества, информации и т.д. Визуализированная потоковая модель проста для понимания и анализа, поэтому ряд скрытых недостатков ТС становится очевидным.

Реакции на любое изменение какого-либо воздействия, свойства или параметра в любой из этих моделей может быть отслежено по взаимообусловленным цепочкам, образованным пиктограммами-стрелками воздействий, связывающих компоненты, и пиктограммами со стрелками их преобразований компонентами. Именно поэтому совокупность построенных моделей является еще и моделями причинно-следственной структуры.


Выявление недостатков при работе ТС по динамическим моделям

Анализ ТС проводится для выявления присущих ей недостатков. Логически выявить большинство недостатков и наметить пути совершенствования ТС можно при анализе ее функционирования на динамических моделях, ориентируясь на целевые недостатки. При этом для уточнения и анализа стоимости, свойств и параметров компонентов и их сопряжений необходимо адресоваться к моделям, построенным на предыдущих этапах. Такая последовательность действий представляется корректной, поскольку модели логически и графически взаимоувязаны между собой, моделирование ведется последовательно, а каждая последующая модель является развитием предыдущей. Предложенные подходы к моделированию ТС позволяют провести ее глубокий анализ с использованием известных наработок и новых инструментов.


Конечной целью анализа ТС является перечень задач и противоречий. Инструментом для их выявления является анализ причинно-следственных цепочек недостатков. Причинно-следственные цепочки недостатков могут быть выделены из общей причинно-следственной структуры, которой являются динамические модели, однако для этого необходимо найти в них логические входы и проследить причины недостатков. Такими логическими входами или преддвериями могут являться известные целевые недостатки и их структуры на верхнем иерархическом уровне (например, низкая эффективность, негативные проявления в надсистеме, высокая стоимость и т.д.).

Инструментом выявления причинно-следственных цепочек недостатков может быть Методика Диагностики Недостатков [10]. Аналогом этого процесса является поиск неисправностей в устройстве по принципиальной схеме, используемый, например, в электротехнике. Этот подход может быть с успехом использован и при диверсионном анализе.

Суть предлагаемого метода диагностики недостатков заключается в следующем. Сначала определяются проявления целевого недостатка в компоненте, в группе компонентов, в процессе или в группе процессов. Затем выявляется их связь с динамическими моделями в виде неадекватных элементарных потоков, формирующих "дефекты ТС" и соответствующие им сопряжения. Далее, прослеживая по причинно-следственной структуре "связи→ потоки→преобразования→свойства→потоки→связи", выявляются недостатки, порождающие выявленный недостаток. При этом последовательно диагностируются:

- неадекватные параметры сопряжения с компонентом;

- неадекватно выполняемые преобразования потока этим компонентом;

- неадекватные свойства компонента и его параметры, являющиеся причинами неадекватных преобразований;

- неадекватные связи потоков и преобразований в этом компоненте;

- неадекватные параметры внешних потоков, являющиеся составляющими этих преобразований.

О

писанный процесс диагностики недостатков и их причинных связей повторяется для всех компонентов (обычно в направлениях навстречу потокам). Блок-схема алгоритма построения причинно-следственной структуры цепочек недостатков (ПССЦН) приведена на Рисунке 9.



Рисунок 9. Блок-схема алгоритма построения причинно-следственной структуры цепочек недостатков.



Конкретные параметры элементов причинно-следственной структуры для этого анализа могут быть взяты из Баз Данных, составленных при моделировании и анализе ТС по предлагаемой методике. Этими Базами Данных является иерархия взаимосвязанных табличных моделей: компонентной, структурной, функциональной, динамической и потоковой. Дополнительными данными для выявления недостатков могут являться временные диаграммы процессов и пространственные распределения параметров потоков, полученные при проведении потокового анализа. Диагностика недостатков проводится до выявления всех концевых недостатков, устранение которых может быть осуществлено только путем изменения компонентов ТС или их связей.

Ключевые недостатки просто определить по ПССЦН, построенной по предлагаемому выше алгоритму. Ключевыми недостатками ТС могут являться все концевые недостатки или предыдущие в той же причинно - следственной цепочке недостатков (если их проще устранить). Поскольку, согласно предлагаемой методике, все недостатки формулируются в параметрическом виде, то ключевыми задачами, в простейшем случае, являются требования по улучшению конкретного параметра.

На практике, условия задачи часто накладывают ограничения (в том числе физические) на изменение ТС, и, кроме этого, непосредственное улучшение одного конкретного параметра может повлечь за собой ухудшение другого параметра. На основе этого достаточно просто сформулировать противоречия, которые можно разрешать по АРИЗ.


Заключение

Предлагаемая методика направлена на поиск и выявление "правильных" постановок задач, решение которых приведет к устранению насущных проблем. Правильно поставленная задача это почти решение.


Использование предлагаемой методики позволяет визуализировать скрытые недостатки ТС, при этом большинство решений практически становится очевидным.

По мнению автора, представляемая разработка является одним из недостающих звеньев методологии ФСА-ТРИЗ, позволяющим алгоритмизировано подойти к описанию ситуации, моделированию и анализу ТС, а в конечном счете к формулированию противоречия для эффективного использования АРИЗ.


Список литературы

1. Альтшуллер Г.С. АРИЗ – значит победа. АРИЗ-85В. – В кн.: Правила игры без правил. – Петрозаводск.: Карелия, 1989.

2. Альтшуллер Г.С., Злотин Б.Л., Зусман А.В., Филатов В.И. Поиск новых идей: от озарения к технологии. – Кишинев: Картя Молдовеняска, 1989.

3. Литвин С.С., Герасимов В.М. Основные положения методики проведения ФСА / Методические рекомендации, части 4 и 5. – Журнал ТРИЗ. - Обнинск: Протва-Прин, 1992, 3. 2 (№6).

4. Хотимлянский Ю. Энергетический анализ технических систем. Баку, 1974. –18 с. (рукопись), http://rus.triz-guide.com/archiv.html .

5. Горяинов Л.Г. Анализ энергетических цепочек как метод совершенствования технических систем. – Журнал ТРИЗ. – Гомель: Интерцентр Веда, 1990, 1 (№2).

6. Литвин С.С., Аксельрод Б.М. Методика построения причинно- следственных цепочек нежелательных эффектов/Рукопись.– С-Пб: ИМИЦентр, 1996, 4с.

7. Литвин С. С., Инструменты определения "Правильных Задач" в методике G3:ID/ ТРИЗ Анализ. Методы исследования проблемных ситуаций и выявления инновационных задач, сост. Литвин С.С., Петров В.М., Рубин М.С., Библиотека Саммита Разработчиков ТРИЗ. Выпуск 1, Москва, 2007 г. ' 105 с. http://www.trizland.ru/trizba/pdf-books/TRIZ-summit2007.pdf .


8. Кашкаров А.Г. Методика сквозного анализа, совершенствования и развития технической системы., материалы для служебного пользования ООО "Алгоритм" 1997, Лекции в МУНТР, С-Петербург, 1997г.

9. Кашкаров А.Г. Методика построения и анализа потоковых моделей., доклад и тезисы доклада в материалах конференции "Инновационные технологии проектирования сегодня и завтра", С-Петербург, 1999г, http://www.matriz.ru/4spec/4-2/kashkarov-ag/kag-works-3.html .

10. Кашкаров А.Г., Вещественно-энергетические преобразования в ТС. Методика построения и анализа моделей./ Диссертация на соискание звания «Мастер ТРИЗ», июль, 2008г, http://www.triz-summit.ru/ru/section.php?docId=3967 , июль 2009г., http://www.triz-summit.ru/ru/section.php?docId=4257 .


1 Поток - динамическая система, обладающая бесконечным числом степеней свободы, распределением параметров и направленностью действий


Page