Бесплатный фрагмент - Структурный анализ систем

Владимир Петров

Структурный анализ систем: Вепольный анализ. Учебник. ТРИЗ.

Это книга представляет собой впервые созданный учебник по вепольному анализу.

Материал легко и быстро усваивается.

В книге приводится около 250 примеров и более 60 задач (из них 102 примера и 42 задачи для самостоятельного разбора), более 100 иллюстраций, более 100 физических эффектов.

Книга рассчитана на широкий круг читателей и будет особенно полезна тем, кто хочет быстро получать новые идеи.

Посвящение

Работа посвящается светлой памяти

учителя, коллеги и друга Генриха Альтшуллера

Владимир Петров

vladpetr@013net.net

Благодарности

Я премного благодарен моему учителю, коллеге и другу Генриху Альтшуллеру, прежде всего за то, что он создал основу теории развития технических систем — законы их развития, за то, что имел счастье общаться и обсуждать с ним некоторые материалы данной книги.

Хочу выразить глубокую благодарность за ценные замечания, примеры и предложения при работе над этой книгой моему коллеге и другу Борису Голдовскому, Мастеру ТРИЗ, Генеральному конструктору подводной техники, Лауреату премии Правительства РФ в области науки и техники, Почетному судостроителю, ветерану-подводнику (Нижний Новгород, Россия).

Вепо́льный анализ

…вепо́ль является схемой минимальной ТС: он включает изделие, инструмент и энергию (поле), необходимую для воздействия инструмента на изделие. Любую сложную техническую систему можно свести к сумме веполей.

Г. С. Альтшуллер

Введение

Для анализа и синтеза систем используется моделирование, которое является одной из составляющих талантливого мышления. Существуют разные способы моделирования, например, вещественное, математическое, компьютерное мысленное и т. д.

В данной книге будет рассматриваться только мысленное моделирование, помогающее решать сложные (изобретательские) задачи. Напомним, что изобретательская задача — это задача содержащая противоречие, являющееся одним из важных понятий теории решения изобретательских задач (ТРИЗ).

Моделированием структуры системы в ТРИЗ занимаются функциональный и вепо́льный анализ.

Вепо́льный анализ предназначен для представления исходной системы в виде определенной (структурной) модели и преобразования ее для получения структурного решения, устраняющего недостатки.

Глава 1. Понятия вепо́льного анализа

Структурный вещественно-полевой (вепо́льный) анализ — раздел ТРИЗ, изучающий и преобразующий структуру систем. Вепо́льный анализ разработан Г. С. Альтшуллером.

Вепо́льный анализ — это язык схем, позволяющий представить исходную систему в виде определенной (структурной) модели. С помощью специальных правил выявляются свойства этой системы. Затем по конкретным закономерностям преобразовывают исходную модель задачи и получают структуру решения, которое устраняет недостатки исходной системы.

Статистический анализ решений показал, что для повышения эффективности систем их структура должна быть определенной. Модель такой структуры называется веполем.

Вепо́ль — модель минимально управляемой системы, состоящей из двух взаимодействующих объектов и их взаимодействия.

Взаимодействующие объекты условно названы веществами и обозначаются В1 и В2, а само взаимодействие называется полем и обозначается П.

Под «веществом» будем понимать любой объект, начиная с материала, его структуры, молекул, атомов, до самых сложных систем, например, космическая станция. В информационных системах это может быть элемент или данные.

Поле может представлять собой любое действие или взаимодействие, например, энергию, силу или информацию. В информационных системах это может быть алгоритм.

Веполь изображается схемой (1.1).

Термин ВеПоль произошел от слов «Вещество» и «Поле».

Вепольный анализ включает в себя определенные правила и тенденции. Эти тенденции подчиняются закону увеличения степени вепольности, который будет описан ниже.

Вепольный анализ предназначен для:

— представления исходной структуры задачи (системы);

— определения структурного решения задачи;

— выявления перспективы развития структуры системы.

Если В1 — изделие, В2 — инструмент, «обрабатывающий» изделие В1, а П — поле (энергия, сообщаемая инструменту), то веполь будет иметь вид (1.2).

Пример 1.1. Разрезание хлеба

Продемонстрируем веполь на примере нарезки хлеба.

Хлеб В1 разрезают ножом В2, прикладывая силу руки П1 (поле механических сил). В данном случае П1 — линейное перемещение ножа и давление.

Этот же пример можно представить и другой вепольной схемой (1.3): нож В2 действует на хлеб В1 через механическое поле П2, представляющее собой давление ножа на хлеб или трение между ножом и хлебом.

Пример 1.2. Информационная система

Если В1 — элемент (программа) 1, В2 — элемент (программа) 2, а П1 — поле (сигнал — информация), то вепольную модель можно представить схемой (1.4). Эту же формулу можно представить и так: В1 — данные (информация) 1, В2 — данные (информация) 2, а П1 — алгоритм.

Введем понятие «отзывчивости».

Отзывчивость в вепольном анализе — это свойство вещества В реагировать (отзываться) на воздействие поля П, т. е. выполнять необходимое (заданное) действие или вещества В генерировать необходимое поле П.

Приведем примеры «отзывчивых» веществ и полей:

1. Ферромагнитное вещество отзывчиво на магнитное поле.

2. Тензорезистор отзывчив на деформацию, давление, напряжение, перемещение (механическое поле).

3. Материал с памятью формы отзывчив на тепловое поле.

4. Флуоресцентные и фоточувствительные вещества отзывчивы на рентгеновское излучение.

5. Поляризационная пластина отзывчива на оптическое поле.

6. Фотодиод отзывчив на оптическое поле.

7. Жидкие кристаллы отзывчивы на тепловое и электрическое поле.

8. И т. д.

Глава.2. Основные обозначения

В данном разделе представлены основные обозначения вепольного анализа.

Связь между элементами обозначается линией.

На схеме (2.1) изображены вещества В1, В2 связанные между собой каким-то образом (не всегда известным), а на схеме (2.2) показана связь П1и В1.

Действие (воздействие) обозначается стрелкой.

Воздействие инструмента В1 на изделие В2 может быть изображено схемой (2.3). Стрелка указывает направление действия В1 на В2

Схема (2.4) показывает действие поля П1 на вещество В1.

Может быть и обратное действие В2 на В1, показано на схеме (2.5).

или В1 на П1 — схема (2.6).

Взаимодействиеобозначается двухсторонней стрелкой.

Схема (2.8) описывает взаимодействие поля и вещества П1 и В1.

Действия могут быть неэффективными или недостаточными. Они обозначаются прерывистой линией, как показано на схеме (2.9) и (2.10).

Избыточные действия обозначаются двумя параллельными линями (стрелками). Эти действия показаны на схеме (2.11) и (2.12).

Вредные, нежелательные действия обозначаются волнистой линией. Эти действия показаны на схеме (2.13) и (2.14).

Знак перехода от исходной вепольной модели к необходимой обозначается двойной стрелкой, например как показано в (2.15).

Глава 3. Виды вепольных систем

3.1. Вепольные модели для полей

Можно представить три вида вепольных моделей:

— генерирование поля;

— преобразование поля;

— видоизменения поля.

Генерирование поля

Генерирование поля веществом представлено схемой (3.1). При помощи этой схемы могут быть описаны явления, происходящие, например, в: магните, радиоактивном веществе, радио, электрете (электрический аналог постоянного магнита), электрической батарее, веществе с запахом и т. п.

Вместо цифр у веществ и полей могут быть буквенные обозначения или смешанные, например, магнит в схеме (3.1) можно обозначить, как Вмаг, Пмаг или В1, Пмаг (Вмаг, П1); радиоактивное вещество — Вр. а., Пр. а; радио — Врад, Прад; электрет — Вэл, Пэл и т. д.

Приведем пример из области информационных систем.

Пример 3.1. Корректирующие коды

При записи, воспроизведении или передаче данных возникают ошибки под влиянием помех. Для обнаружения и исправления ошибок используют корректирующие коды.

При записи или передаче в полезные данные добавляют избыточную информацию (контрольное число), а при чтении или приеме контрольное число используют для обнаружения и исправления ошибок. При проверке определяют контрольную сумму. Она может использоваться, например, для детектирования компьютерных вирусов.

Необходимо проверить данные В1 — левая часть схемы (3.2). При записи добавляют контрольное число В2. По контрольной сумме П1 определяют правильность данных В1 (нет ли ошибки или вируса).

Где:

В1 –данные 1;

В2 — данные 2 (избыточная информация — контрольное число);

П1 — контрольная сумма.

---

Преобразование поля

Преобразование поля веществом представлено на схеме (3.3). Вещество преобразует один вид поля (энергии или информации) П1 в другой П2 вид. Это два качественно разных поля.

Примечание. Принято входное поле (в данном случае П1) располагать над веществом В, а выходное П2 ниже вещества В.

Преобразование энергии могут осуществлять, например: генератор, двигатель, электродвигатель, измерительный элемент (датчик) и т. п.

Пример 3.2. Генератор

Генератор электрического тока В преобразует вращательное полеП1 (полемеханических сил), которое может быть изображено и как Пмех, в электрическое поле П2 или Пэл. Веполь будет иметь вид (3.4).

Пример 3.3. Электродвигатель

У электродвигателя В — обратное преобразование — электрическое поле Пэл превращается в механическое Пмех поле вращения. Веполь будет иметь вид (3.5).

Преобразование информации.

Пример 3.4. Телефон

В телефоне — звуковая информация (акустическое поле Пак) преобразуется в электрическую Пэл, и обратное преобразование — акустического поля Пакв электрическую Пэл, эти преобразования осуществляют микрофон и наушник, соответственно; радио преобразует электромагнитные волны (электромагнитное поле Пэл. м.) в звуковые (акустическое поле Пак).

---

Видоизменение поля

Видоизменение поля веществом представлено схемой (3.6). Вещество изменяет характеристики одного и того же поля (энергии или информации) из П1 в П2. Вид поля качественно не меняется, поэтому поля можно изобразить как П», П»», тогда схему веполя (3.3) можно представить в виде (3.6).

Видоизменение энергии могут осуществлять, например, трансформатор, транзистор, усилитель, выпрямитель, преобразователь частоты, аналого-цифровой преобразователь (преобразователь аналог-код), призма, линза и т. п.

Видоизменение информации могут осуществлять, например, преобразователи кодов, преобразователь информации (например, десятичной в двоичную и обратно), компьютер и т. п.

3.2. Виды вепольных систем для измерения и обнаружения

Существует класс задач, в которых необходимо измерять какие-то параметры систем или обнаруживать какие-то объекты или их части. Условно такие системы будем называть — измерительными. Модели таких систем могут иметь вепольные структуры, рассмотренные ранее (3.2), (3.3) или (3.6).

Для измерения параметров вещества В1 или его обнаружения к нему присоединяют вещество В2, которое может:

— генерировать поле П1 (3.7);

— преобразовывать поле П1 в поле П2 (3.9);

— видоизменять поле П» в поле П»» (3.10).

Генерирование поля

Необходимо измерить или обнаружить объект, который обозначим как вещество В1.Для этого к нему присоединяют вещество В2, которое генерирует поле П1.

В вепольном виде генерирование поля описано схемой (3.7). Слева от двойной стрелки показано, что в системе нужно обнаружить или измерить (вещество В1), а справа — вепольная модель генерирования поля, где В2 — вещество-генератор, которые мы рассмотрели выше.

По выделяемому полю можно легко обнаружить В1 или измерить его характеристики.

Пример 3.5. Обнаружение затонувшего объекта

Для обозначения места затонувшего объекта В1 к нему прикрепляют радиобуй В2, дающий сигнал Прад (3.8), который является радиомаяком для спасательных средств (рис. 3.1).

Где:

В1 — затонувший объект;

В2 — радиобуй;

Прад — радиосигнал (радиополе — электромагнитное поле).

Преобразование поля

Необходимо обнаружить вещество В1. Для этого к нему присоединяют вещество В2, на которое воздействуют полем П1и вещество В2 преобразует его в поле П2. Преобразование поля описано веполем (3.9).

Примечание. Следует отметить, что если объект измерения В1 отзывчив на имеющееся в нашем распоряжении поле П1 и может адекватно реагировать на это поле (генерировать ответное поле П2), то нет необходимости добавлять другое вещество В2.

Пример 3.6. Измерение температуры

Градусник можно представить веполем (3.9).

В1 — объект, температуру которого нужно измерить;

В2 — градусник, «переводящий» температуру (тепловое поле П1 или Птем) в некоторый сигнал (поле П2), например, электрический сигнал Пэл или оптический Попт — столб ртути, на который мы смотрим.

Схема (3.9) в данном примере может быть уточнена. Объект, температуру которого нужно измерить В1, генерирует поле (тепловое поле) П1, воздействующее на вещество В2 (градусник), показывающий температуру П2. (3.10)

Схемой (3.9) можно представить любой датчик (сенсор), например, для измерения: давления, скорости, перемещения, положения, натяжения, расхода, влажности, уровня, радиоактивности и т. д.

Видоизменение поля

Необходимо обнаружить вещество В1. Для этого к нему присоединяют вещество В2, на которое воздействуют полем П», и вещество В2 видоизменяет его в поле П»». Видоизменение поля описано веполем (3.11). Поля П» и П»» одной и той же природы, они, например, могут отличаться количественно, но могут быть и друге характеристики, например полярность, фаза, цвет и т. д.

Веполем (3.11) можно представить, например, любые электрические измерения: напряжения, тока, мощности, частоты; измеритель информации и т. д.

Пример 3.7. Обнаружение пешехода

Для того чтобы в темное время суток обнаружить и не сбить пешехода (В1), к его одежде, обуви или сумке прикрепляют светоотражающий материал (В2). Свет фар (П») автомобиля отражается от этого материала (В2), и шофер видит отраженный свет (П»»). Это можно представить веполем (3.12).

Где:

В1 — пешеход;

В2 — светоотражающий материал;

П«опт — свет фар (оптическое поле);

П««опт — отраженный свет (оптическое поле).

Пример 3.8. Бактерии определяют химикат

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали устройство, определяющее конкретный химикат.

В качестве индикатора использовали конкретные бактерии, которые при прикосновении с определенным химическим веществом светятся.

В качестве живого материала использовали конкретные бактерии, расположенные в воде, находящейся в гидрогеле.

Поддержание жизнедеятельности бактерий осуществляется с помощью жидкой питательной среды, расположенной в гидрогеле.

Устройство выполнено в виде перчаток или бандажа (рис. 3.2).

3.3. Виды вепольных структур

Существуют следующие виды вепольных структур:

1. невепольная система (3.13), (3.14), (3.15);

2. вепольная система — простой веполь (3.16);

3. комплексный веполь:

— внутренний комплексный веполь (3.20), (2.21);

— внешний комплексный веполь (3.24), (3.25);

— комплексный веполь на внешней среде (3.28), (3.29);

— комплексный веполь на измененной внешней среде (3.32), (3.33);

4. цепной веполь (3.36);

5. двойной веполь (3.40);

6. смешанный (3.43), (3.44).

Невепольная система

Система, состоящая из одного элемента: вещества В1 или поля П1, описанных схемой (3.13), или двух элементов: двух веществ В1, В2 (3.14); вещества В1 и поля П1 (3.15), называется невепольной или неполной вепольной системой.

Невепольные системы, как правило, неуправляемые или плохо управляемые.

Основное правило вепольного анализа

Невепольные системы для повышения управляемости необходимо сделать вепольными. Это правило можно условно представить в виде (3.16).

---

Задача 3.1. Снятие коры с древесины

Условия задачи

Обычно кору древесины отделяют механически в специальных корообдирочных барабанах или механическими инструментами, например топором. При этом повреждается и сама древесина.

Необходимо предложить способ отделения коры от древесины, который бы не портил древесину.

Разбор задачи

Разберем эту задачу с позиций вепольного анализа. Имеется древесина и кора. Система невепольная. Она может быть описана схемой (3.17).

Где:

В1 — древесина;

В2 — кора.

Это не вепольная система ее необходимо достроить до вепольной. Достройка веполя заключается во ведении поля П1, воздействующего только на кору в направлении ее отрыва от древесины. В вепольном анализе такое действие осуществляется через посредник, в данном случае через древесину В1. Это показано вепольной схемой (3.18).

Необходимо подобрать поле П1, которое может осуществить такое действие.

Между корой и древесиной (рис. 3.3) находится слой клеток (камбий), содержащий большое количество влаги, вскипание которой может оторвать кору. Вскипание можно осуществить с помощью вакуума или нагрева, например, токами высокой частоты. Таким образом, вепольный анализ рекомендует использовать тепловое поле П1 = Птеп.

Здесь использовали ресурсы — структуру древесины — камбий, а также физические эффекты: кипение и нагрев токами высокой частоты.

Задача 3.2. Слежение за объектом

Условия задачи

Необходимо следить за каким-то объектом В1.

Разбор задачи

Дано только одно вещество В1 — объект слежения.

Система невепольная.

Для слежения за каким-либо объектом к нему прикрепляют «жучок». С помощью специальной аппаратуры определяют место нахождения объекта слежения.

Итак, у нас имеется объект слежение В1. Построим вепольную схему слежения за объектом. Для этого добавим еще одно вещество В2 («радиожук»), которое генерирует поле П1 (радиополе).

Веполь будет иметь вид (3.19).

Где:

В1–объект слежения;

В2 — «радиожук»;

П1 — радиополе.

Дальнейшее повышение управляемости вепольных систем осуществляется заменой веществ и/или полей на более управляемые и изменением структуры веполей.

Рассмотрим виды вепольных структур.

Как мы отмечали выше, вепольные структуры могут быть комплексные, цепные и двойные. Рассмотрим эти структуры.

Комплексный веполь

Комплексный веполь — это веполь с дополнительным введенным веществом В3, которое может присоединяться к В1 или В2, повышая управляемость системой или придавая ей новые свойства, тем самым, повышая эффективность технической системы.

Комплексные веполи бывают:

— внутренний комплексный веполь (3.20) и (3.21);

— внешний комплексный веполь (3.24) и (3.25);

— комплексный веполь на внешней среде (3.28) и (3.29);

— комплексный веполь на измененной внешней среде (3.32) и (3.33).

Внутренний комплексный веполь — это комплексный веполь, где добавка В3 присоединяется внутрь веществ В1 (3.20) или В2 (3.21). Введение вещества внутрь условно показано в виде скобок.

Задача 3.3. Сбор разлитой нефти

Условия задачи

В результате аварий танкеров на поверхности моря разливается нефть (рис. 3.4).

Один из методов сбора разлитой нефти на поверхности воды заключается в следующем. Пятно нефти окружают плавающими барьерами, которые предотвращают растекание нефти (рис. 3.5). Затем окруженное пространство засыпают пористыми гранулами — адсорбентами, которые впитывают нефть.

Задача возникает при сборе гранул, заполненных нефтью.

Разбор задачи

Имеются гранулы В1, заполненные нефтью В2.

Система невепольная. Она представлена на схеме (3.22). Гранула В1 воздействует на нефть В2 адсорбируя ее (капиллярный эффект).

Где:

В1 — гранула;

В2 — нефть.

Для решения мы должны достроить систему до вепольной. Необходимо найти поле, отзывчивое на гранулу с нефтью, чтобы можно было ее легко убирать. Такое поле найти сложно, поэтому мы добавляем еще одно вещество В3 в гранулу В1, которое будет отзываться на введенное поле П1. Это поле должно поднимать гранулу, а вместе с ней и нефть.

Предложено в гранулы добавить ферромагнитные частицы В3, тогда их будет легко собрать магнитным полем П1 (рис. 3.6).

Вепольная структура (3.23).

Внешний комплексный веполь — это комплексный веполь, где добавка В3 присоединяется внешне к В1 (3.24) или В2 (3.25). Этот вид комплексного веполя используется, когда невозможно или нежелательно вводить В3 внутрь имеющихся веществ.

Задача 3.4. Демонтаж радиоэлементов

Условия задачи

Демонтаж радиоэлементов производится с помощью паяльника. При этом часто перегрев (термоудар) приводит к порче радиоэлемента. Как быть?

Разбор задачи

Построим вепольную модель описанной системы. Она может быть представлена схемой (3.26).

Где:

П1 — температурное поле разогретого паяльника;

В1 — олово;

В2 — вывод (ножка) радиоэлемента.

Задача описывается веполем с полезной и вредной связью. Полезное действие (прямая стрелка от В1 к В2) — олово расплавляется и освобождает ножку радиоэлемента. Вредное (волнистая стрелка от В1 к В2) — горячее олово перегревает ножку радиоэлемента и собственно радиоэлемент.

Одно из возможных решений перейти к внешнему комплексному веполю (3.27), т. е. необходимо внешне ввести дополнительное вещество. Обозначим его как В3.

Чтобы радиоэлемент при демонтаже не испортился от термоудара, перед нагревом в место распайки вводят припой В3 с температурой плавления ниже температуры плавления основного припоя (рис. 3.7). Дополнительный припой, представляющий собой сплав олово-свинец-висмут, существенно уменьшает термоудар радиоэлемента.

Комплексный веполь на внешней среде — это внешний комплексный веполь, где в качестве В3 используется внешняя среда ВВС, которая может добавляться к В2 (3.28) или к В1 (3.29).

Этот вид комплексного веполя целесообразно использовать, когда невозможно или нежелательно присоединять В3 к имеющимся в системе веществам.

ВВС — вещество внешней среды, В3 = ВВС.

Задача 3.5. Очистка железнодорожных путей

Условия задачи

Очистку железнодорожных путей от снега или грязи осуществляют с помощью специального локомотива или навесного оборудования. Это не идеально. Необходимо приобретать специализированное оборудование, тратить лишнюю энергию, время, человеческие ресурсы на эксплуатацию и ремонт. Как избежать этого?

Разбор задачи

Вепольная схема задачи имеет вид (3.30).

Где:

В1 — грязь или снег;

В2 — щетка;

П1 — вращение щетки.

Одно из возможных решений — перейти к комплексному веполю на внешней среде (3.31).

Где:

В1 — грязь или снег;

В2 — щетка;

П1 — вращение щетки;

В3 — отражатель;

ВВС — воздух;

П2 — набегающий поток.

Очистку железнодорожных путей можно проводить набегающим на локомотив потоком воздуха, направляя его в нужное место с помощью специальных экранов и отверстий (рис. 3.8). Каждый локомотив может быть снабжен таким приспособлением. Оно может устанавливаться при изготовлении локомотива. Тогда железнодорожные пути не нужно будет специально очищать.

В этом изобретении использовали ресурсы — набегающий поток воздуха.

---

Комплексный веполь на измененной внешней среде — это внешний комплексный веполь, где в качестве В3 используется измененная внешняя среда В'ВС, которая может добавляться к В1 (3.33) или к В2 (3.32).

В«ВС — видоизмененное вещество внешней среды, В3 = В'ВС.

Под измененной будет пониматься также разложение внешней среды на составляющие элементы и добавки во внешнюю среду.

Этот вид комплексного веполя целесообразно использовать, когда невозможно или нежелательно присоединять В3 к имеющимся в системе веществам или внешнюю среду.

Задача 3.6. Измерение глубины реки

Условия задачи

При измерении глубины реки через ледяную поверхность необходимо обеспечить надежный контакт ультразвукового (УЗ) излучателя со льдом. На поверхности льда имеется снег, который предварительно расчищают. Лед имеет неровную поверхность и поэтому контакт излучателя со льдом получается в отдельных местах. Для улучшения контакта излучателя со льдом его выравнивают (рис. 3.9). Это трудоемко и требует значительных временных затрат. Как быть?

Разбор задачи

Вепольную модель задачи можно представить в виде схемы (3.34).