Основы ТРИЗ. Теория решения изобретательских задач. Издание 2-е, исправленное и дополненное Петров Владимир
Конкурентоспособность конкретной системы определяется по сравнению с конкурирующей системой. Конкуренция зависит от:
– количества и качества выполняемых функций;
– стоимости данной системы;
– своевременности ее появления на рынке.
Помимо технических функций следует учитывать также эстетические и психологические. Один из основных эстетических параметров – это дизайн продукта и упаковки, включая и цветовую гамму. К психологическим параметрам следует отнести престижность, привлекательность, доступность и т. п.
Теперь можно представить более детальную схему структуры системности (рис. 3.4), которая является структурой закона увеличения степени системности.
Система работоспособна, когда она выполняет главную функцию системы. Работоспособная система отвечает ее предназначению и имеет определенную структуру.
Рис. 3.4. Структура закона повышения степени системности
Структура системы должна выполнять главную, все основные и вспомогательные функции, представляя собой совокупность взаимосвязанных элементов и связей.
Работоспособность зависит не только от структуры системы, но и от свободного прохода необходимых внутренних и внешних потоков.
3.2.2. Отсутствие системности
Пример 3.31. Телефон
Электромагнитное излучение, возникающее при разговоре по мобильному телефону вредно воздействует на окружающую аппаратуру, поэтому в самолетах и в больницах не разрешается разговаривать по мобильному телефону.
Антенны ретрансляторов мобильной связи вредно воздействуют на окружающих.
Пример 3.32. Автомобиль
Машины выбрасывают в атмосферу выхлопные газы, загрязняя окружающую среду.
Дорога вредно воздействует на автопокрышки, истирая их.
Атмосфера вредно действует на кузов автомобиля – появляется коррозия.
3.2.3. Эволюционное развитие
Системность так же учитывает и закономерности исторического развития исследуемого объекта – эволюционное развитие. Это последнее требование системности. Оно учитывается при прогнозировании развития объекта исследования путем учета выявленных тенденций исторического и логического развития данного объекта, а также учета общих законов развития систем. В результате получают общую тенденцию развития исследуемого объекта и концептуальное представление его следующих поколений.
3.3. Системный оператор
Г. С. Альтшуллер разработал «Системный оператор».
Его структура представлена на рис. 3.5.
Рис. 3.5. Системный оператор
Человек с рутинным мышлением рассматривает только саму систему (рис. 3.6). Более углубленный подход – выявить и исследовать части, из которых состоит система – подсистемы. Опытные люди выявляют, куда входит система – определяют надсистему и окружающую среду. Это иерархическая структура.
Рис. 3.6. Системные уровни
Пример 3.33. Дерево
В качестве системы мы рассмотрим дерево, то его подсистемы: ствол, крона и корни. В свою очередь подсистемы могут иметь свои составляющие части – подподсистемы, например, крона имеет ветви. У ветвей имеются свои подсистемы: листья, плоды. У листьев имеются подсистемы: черешок, прожилки, ткани листа. Надсистемой дерева является лес.
В системном мышлении, прежде всего, мы должны выявлять все структурные составляющие (систему, надсистему и подсистемы), много уровней подсистем и надсистем. Необычайно важно знать соседние системы и окружающую среду. Таким образом, системное мышление должно рассматривать все иерархические системные уровни.
Но только знание этих уровней недостаточно. Необходимо учитывать влияние подсистем на систему, системы на надсистему и окружающую среду, и обратное воздействие надсистемы и окружающей среды на систему и подсистемы. Без учета этих влияний мы не только сделаем плохо работающую систему или вообще не работоспособную, но можем оказать отрицательное воздействие на подсистемы, соседние системы, надсистему или окружающую среду.
Покажем взаимовлияние подсистем на систему, системы на надсистему и окружающую среду на примере дерева.
Пример 3.34. Дерево (продолжение)
Вид дерева и его подсистем существенным образом зависит от окружающей среды. Так на севере и высокогорных районах растут, например, карликовые деревья; в пустыне – растения способные запасать влагу (суккуленты), например, кактусы, запасающие влагу в стеблях, алоэ в сочных листьях.
От условий внешней среды зависят и подсистемы растений. Суккуленты имеют мясисто-сочные стебли, листья, или корневища, луковицы, клубни, способные запасать и долгое время бережно использовать запасенную воду. Кожица стеблей и листьев суккулентов покрыта эластичной лакоподобной пленкой – кутикулой, хорошо отражающей солнечные лучи. Кактус собирает влагу и из воздуха, путем ее конденсации на волосках и колючках (ареолах), общая площадь, которых получается очень большой.
В свою очередь растения влияют и на окружающую среду, выделяя или поглощая из атмосферы кислород или углекислый газ в различное время суток.
Пример 3.35. Морская игуана
Морская игуана обитает исключительно на Галапагосских островах. Она питается морскими водорослями и имеет уникальную среди современных ящериц способность проводить под водой около часа. Игуаны научились задерживать дыхание на этот срок, замедлять под водой сердечный ритм и пускать отток крови только к жизненно важным органам. Это произошло в результате эволюции изменением способа питания – пища добывается в воде (морские водоросли), а не на суше. Это пример приспособления к внешней среде.
У морских игуан на суше и воде есть маленькие помощники – крабы и рыбы абудельдуф. Это чистильщики, питающиеся паразитами, доставляющими морским ящерицам немало проблем.
Это пример самоорганизующейся системы.
Третья составляющая системного оператора – это учет динамики развития системы, ее подсистем и надсистем. Необходимо рассмотреть историческое развитие системы, ее подсистем и надсистемы. Эту составляющую мы будем называть эволюционным или генетическим развитием. Для этого выявляют, какие системы, подсистемы и надсистема были в прошлом, и прогнозируют их развитие на будущее.
Последней составляющей системного оператора – выявление анти-систем на всех уровнях и их использование с учетом динамики развития.
Анти-система – это система, которая осуществляет противоположную, по сравнению с исследуемой, функцию. Такое рассмотрение позволяет расширить представление о системе.
Таким образом, системный оператор имеет следующие составляющие:
1. Структура системы и ее иерархические уровни (система, подсистемы, надсистема и окружающая среда);
2. Влияние и взаимовлияние структурных единиц;
3. Динамика развития систем на всех уровнях – эволюционное развитие;
4. Учет и использование анти-систем, анти-функций и анти-действий.
Приведем примеры использования системного оператора.
Пример 3.36. Дерево (продолжение)
Система – дерево. Подсистемы дерева мы рассматривали в примере 3.34. В этом примере выберем плод, например, фрукт. Надсистема – лес. Это мы рассмотрели иерархическую линию. Прошлое дерева – это семя. Прошлое плода – цветок и его ДНК. Прошлое леса – земля.
Рассмотрим будущее. Одно из будущих дерева – это древесина. Одно из будущих фрукта (плода) – может быть что-то из плода, например, пирог, но чтобы согласовать с древесиной лучше взять изделие из древесины, например, деревянное блюдо, на котором лежат плоды.. Одно из будущих леса – уголь (рис. 3.7).
Пример 3.37. Машина (автомобиль)
Система – машина (автомобиль). Надсистемой может быть: автострада, система дорожного движения, включающая систему управления дорожным движением (разметка на дороге, дорожные знаки, светофоры, дорожная полиция
и т. д.), автозаправочные станции, ремонтные мастерские, заводы изготовляющие машины и т. д.
Прошлое машины – это карета. Прошлое двигателя – лошадь. Прошлое автострады – поселочная дорога. Прошлое управления дорожным движением – его отсутствие. Каждый ездил как хотел и где хотел. Прошлое автозаправочных станций – почтовые станции, где менялись экипажи с лошадьми, где лошади отдыхали и их кормили овсом. Ремонтные мастерские в прошлом представляли собой кузнечную мастерскую, а заводы по изготовлению машин – каретные мастерские.
Каждый может себе представить свое будущее. Прежде всего будущее машины зависит от того, из каких подсистем она будет состоять и в какую надсистему она будет входить. Например, уже сегодня разработаны машины с электрическими двигателями, имеются двигатели, работающие на водороде и даже сжатом воздухе. Это все приведет к изменению надсистемы. В будущем будет отсутствовать дорожная полиция – все будет автоматизировано. Автомобили будут «общаться» друг с другом, не допуская дорожных происшествий. Дороги могут походить под землей или над землей, не занимая дорогого места на земле.
Рассмотрим АНТИ составляющую.
Функция машины – перемещать (двигать) пассажира. Анти-функция – сдерживать (оставлять на месте). В качестве такой системы может быть тюрьма, домашний арест.
У подсистемы двигателя функция – перемещение поршня. Анти-функция – стопорение (фиксирование). Этой системой может служит любой зажим, например, тиски; рыболовные снасти, например, невод; сачок и т. д.
Если в качестве подсистемы взять «газ», у которого функция увеличить обороты двигателя (ускорение движения), то анти-функцию – уменьшить обороты (замедление движения) – выполняет тормоз.
У подсистемы колеса две функции: перемещение автомобиля и его поддержание на определенном расстоянии от дороги. Анти-функция перемещения – фиксация. Эту функцию осуществляет тоже колесо в режиме тормоза. Анти-функция поддержания – это притягивание или отталкивание. Притягивание к дороге осуществляет антикрыло. В качестве отталкивания может быть воздушная подушка или воздушный шар (дирижабль и т. п.).
Надсистема автострада имеет функции опоры и указания направления движения. Анти-функция опоры – отталкивание (см. выше). Анти-функция указание направления движения – отсутствие указания направления. У самолетов, ракет, судов, подводных лодок и торпед нет указания направления движения в виде дороги. Указание осуществляется виртуально с помощью системы управления.
Надсистема управление дорожным движением имеет одноименную функцию. Анти-функция – отсутствие управление дорожным движением. Это система, в которой отсутствуют все элементы (см выше). Должна быть самоуправляемая система. Каждая машина связывается с другой машиной. Все вместе они образуют самоорганизующуюся систему (наподобие муравьев или пчел).
Остальные анти-элементы рассмотрите самостоятельно (рис. 3.8).
Рис. 3.8. Системный оператор для системы машина
3.4. Учет влияний
Системный подход подразумевает учет любых изменений и их влияний на систему. Изменения могут происходить во времени и по условию.
Пример 3.38. Изменения во времени
Типичные изменения во времени – это смена дня и ночи и времен года. Такие изменения учитываются, например, включением и выключением света, обогревом и охлаждением помещений и т. д.
Пример 3.39. Изменения по условию
Типовым изменением по условию в природе это фазовые переходы, например, при температуре 0оС при атмосферном давлении лед превращается в воду. На большой глубине высокое давление. В космосе – невесомость и т. д.
Каждый из нас сталкивается с изменениями по условию в дорожном движении. При красном свете светофора – нет движения, а при зеленом – имеется.
Каждое изменение должно быть учтено при создании новых систем.
Учет всех изменений одна из важных составляющих системного подхода.
Системное мышление должно применяться к любому объекту, к любому явлению и к любому процессу.
3.5. Системный подход при проектировании
Системный подход к проектированию требует обязательное выявления целей, потребностей, функций, принципа действий и систем.
Проектирование начинается с определения целей.
3.5.1. Системный синтез
Синтез ТС должен осуществляться в следующей последовательности: выявление потребностей, функций, принципа действия и систем (рис. 3.9).
Рис. 3.9. Последовательность этапов системного синтеза
Первоначально выявляют потребность, которую необходимо удовлетворить. На следующем этапе определяют все альтернативные функции, которые могут удовлетворить данную потребность. Далее выбирают одну из них, наилучшим образом, удовлетворяющим данную потребность.
Для выбранной функции подбираются все возможные принципы действия системы и из них выбирается наилучший.
На заключительном этапе определяются все возможные виды систем, способные осуществить выбранный принцип действия и отбирается наилучшая.
Пример 3.40. Конференция
Представим ситуацию проведения конференции в определенном месте.
Цель – провести конференцию.
Потребность участника конференции – быть в данном месте в данное время.
Функция – перемещение участника с точки А в точку Б.
Опишем только принципы действия перемещения по земле.
Принцип действия: качение, принцип гусеницы, змеи, воздушная подушка и т. д.
Система: колесо, гусеница, воздушная подушка и т. д.
Корректировка может проводиться уже на уровне потребностей.
Если возможно проводить виртуальную конференцию, то участнику не нужно физически присутствовать на конференции, поэтому меняются функции и последующие этапы.
Идеальный системный синтез – это создание самоорганизующейся системы, приводящую к ее балансу. Такая система приспосабливается к изменениям и противостоит разбалансирующим изменениям.
Все природные системы самоорганизующиеся. Это относится как к растительному, так и к животному миру. Изменения во внешней среде влияют на них, и они приспосабливаются к этим изменениям. В свою очередь изменения, например, в растительном мире влияют и изменяют окружающую среду. Так эвкалипты, посажанные в болотистых местах, осушают их и меняют окружающую среду.
3.5.2. Системный анализ
Анализ ТС осуществляется в обратной последовательности: анализ существующей системы, ее составных частей и процессов, анализ принципа действия системы, выявление функций системы и потребности, которую удовлетворяет данная система (рис. 3.10).
Анализ ТС осуществляется в обратной последовательности: анализ существующей системы, ее составных частей и процессов, анализ принципа действия системы, выявление функций системы и потребности, которую удовлетворяет данная система (рис. 3.10).
Рис. 3.10. Последовательность этапов системного анализа
В дальнейшем могут быть выбраны или разработаны альтернативные системы, использующие тот же принцип действия, или альтернативные системы, выполняющие туже функцию или альтернативные системы, удовлетворяющие данную потребность.
Пример 3.41. Стиральная машина
Система – стиральная машина.
Принцип действия – вращение белья с мыльной водой.
Функция – сталкивание белья с водой.
Потребность – соблюдение гигиенической чистоты.
Можно для данной функции найти альтернативный принцип действия. Например, использование ультразвука.
Для данной потребности можно найти другой способ поддержания гигиенической чистоты, например, создание незагрязняющейся одежды. Такие попытки делались в прошлом и настоящем.
3.5.3. Анализ выявления недостатков
Анализ системы для определения ее недостатков проводится в следующей последовательности (рис. 3.11):
1. Компонентный анализ.
2. Структурный анализ.
3. Анализ функций.
4. Диагностический анализ.
Рис. 3.11. Последовательность этапов системного анализа для выявления недостатков
Цель компонентного анализа – построить компонентную модель. Компонентом мы будем называть любой элемент системы на всех иерархических уровнях: подсистемы, системы, надсистема и окружающая среда. На этом этапе выявляются все компоненты и записываются в таблицу.
Цель структурного анализа – построить структуру системы. Определяют все связи между компонентами. Для этого строят матрицу связей (табл 3.1).
Таблица 3.1. Матрица связей
Примечание. Знаком «+» обозначено наличие связи.
Используя данные таблицы, строят графическую модель связей между компонентами.
Цель этапа анализа функций – построить функциональную модель. На этом этапе определяют направление и характер действия, т. е. функции.
Таблица функций представлена в табл. 3.2.
Таблица 3.2. Функции элементов Примечание. У одного элемента может быть несколько функций.
Примечание. У одного элемента может быть несколько функций.
По таблице функций строят графическую функциональную модель.
Цель диагностического анализа – построить диагностическую модель, т. е. оценить функции и потоки.
Рассмотрим данную методику на примере комнатного кондиционера.
Пример 3.42. Компонентный анализ
Рассмотрим кондиционер сплит-системы настенного типа, т. е. кондиционер, состоящий из двух блоков: наружного (рис. 3.12) и внутреннего (рис. 3.13).
Рис. 3.12. Наружный блок кондиционера10
Где
1 – компрессор;
2 – четырехходовой клапан;
3 – плата управления;
4 – вентилятор;
5 – конденсатор;
6 – фильтр фреоновой системы;
7 – штуцерные соединения;
8 – защитная быстросъемная крышка.
Рис. 3.13. Внутренний блок кондиционера
Где
1 – передняя панель;
2 – фильтр грубой очистки;
3 – испаритель;
4 – горизонтальные жалюзи;
5 – индикаторная панель;
6 – фильтр тонкой очистки;
7 – терморегулируемый вентилятор (ТРВ);
8 – вертикальные жалюзи.
Пример 3.43. Структурный анализ
Помимо структурного анализа покажем функциональность кондиционера и основных его частей.
Функционально-структурная схема кондиционера показана на рис. 3.14.
Рис. 3.14. Функционально-структурной схема кондиционера
Принцип работы кондиционера показан на рис. 3.15.
Рис. 3.15. Принцип работы кондиционера в режиме охлаждения11
Устройство кондиционера базируется на явлениях испарении и конденсации. При испарении, влага забирает тепло, а при конденсации, отдает.
Во внутреннем блоке происходит кипение и испарение хладагента (фреон – газ, кипящий при комнатной температуре и атмосферном давлении). Фреон забирает тепло у теплообменника внутреннего блока, который еще называется испаритель, где весь фреон полностью превращается в газ. Поток воздуха, создаваемый вентилятором, проходит через испаритель, отдает свое тепло и выходит из блока охлажденным.
Во внешнем блоке, находящимся на улице, происходит обратный процесс – конденсация. Под давлением, создаваемым компрессором, хладагент конденсируется в теплообменнике внешнего блока, который называется конденсатор, где весь фреон полностью превращается в жидкость. Поток воздуха, создаваемый вентилятором, проходит через конденсатор, отдает свое тепло и выходит из блока подогретым.
Компрессор представляет собой насос высокого давления для газа. Он создает такое давление, чтобы при нормальных температурах весь хладагент успевал сконденсироваться во внешнем блоке. Далее хладагент проходит через дросселирующее устройство (терморегулируемый вентилятор – ТРВ), выравнивая давление.
Четырехходовой клапан переключает кондиционер из режима охлаждения в режим обогрева. Он изменяет (инвертирует) направление движения фреона. При этом внутренний и наружный блок как бы меняются местами: внутренний блок работает на обогрев, а наружный – на охлаждение.
Анализ будет проводиться упрощенный, только по основным частям кондиционера.
Разберем устройство каждой части. Параллельно будем указывать функции, которые выполняет каждая из частей кондиционера.
Наружный блок:
1. Компрессор – повышает давление хладагента (фреона), тем самым, нагревая его, и перемещает фреон по холодильному контуру с помощью повышенного давления. Хладагент в компрессор поступает из испарителя.
2. Конденсатор – это радиатор. Он охлаждает и конденсирует фреон. Продуваемый через конденсатор воздух, соответственно, нагревается.
3. Вентилятор – создает поток воздуха на конденсатор.
4. Плата управления – управляет внешним блоком и принимает команды от пульта управления.
5. Четырехходовой клапан – изменяет (инвертирует) направление движения фреона. При этом внутренний и наружный блок как бы меняются местами: внутренний блок работает на обогрев, а наружный – на охлаждение.
6. Фильтр фреоновой системы – защищает систему от попадания мелких частиц, которые могут образоваться при монтаже кондиционера. Устанавливается перед входом компрессора.
7. Штуцерные соединения – соединяют (удерживают) медные трубки, соединяющие наружный и внутренний блоки.
8. Защитная быстросъемная крышка – защищает от внешнего воздействия штуцерные соединения и клеммник, используемый для подключения электрических кабелей.
Примечание. При дальнейшем анализе не будут рассмотрены: ТРВ, четырехходовой клапан, фильтр фрионовой системы, штуцерные соединения, клеммник, защитную быстросъемную крышку, устройство платы управления и все датчики.
Внутренний блок:
1. Испаритель – это радиатор. Он нагревает фреон. Фреон испаряется. Продуваемый через радиатор воздух охлаждается.
2. Вентилятор – создает поток воздуха на испаритель. Таким образом, вентилятор внутреннего блока создает две полезные функции:
– помогает нагревать испаритель, а, следовательно, и фреон. Фреон испаряется и охлаждает поток воздуха;
– переносит поток холодного воздуха.
3. Плата управления (на рисунке не показана) – управляет внутренним блоком и принимает команды от пульта управления. На этой плате находится блок электроники с центральным микропроцессором.
4. Терморегулирующий вентиль – ТРВ (рис. 3.15) – понижает давление хладагента перед испарителем без изменения его агрегатного состояния (фреон должен остаться жидким). Давление снижают для уменьшения температуры кипения фреона в испарителе. Изменением величины давления регулируют температуру кипения (испарения), а, следовательно, и температуру потока воздуха.
5. Поддон для конденсата (на рисунке не показан) – сбора конденсата (воды, образующейся на поверхности холодного испарителя). Он расположен под испарителем. Из поддона вода выводится наружу через дренажный шланг.
6. Передняя панель – пропускает воздух внутрь блока. Представляет собой пластиковую решетку, через которую внутрь блока поступает воздух.
7. Фильтр грубой очистки – препятствует прохождению крупной пыли, шерсти животных и т. п. внутрь блока.
8. Горизонтальные жалюзи – регулируют направление воздушного потока по вертикали. Эти жалюзи имеют электропривод, и их положение может регулироваться с пульта дистанционного управления. Кроме этого, жалюзи могут автоматически совершать колебательные движения для равномерного распределения воздушного потока по помещению.
9. Привод горизонтальных жалюзи (на рисунке не показан) – перемещает жалюзи.
10. Индикаторная панель – показывает режим работы кондиционера и сигнализирует о возможных неисправностях. На передней панели кондиционера установлены индикаторы (светодиоды).
11. Фильтр тонкой очистки – препятствует прохождению мелкой пыли. Фильтры бывают различных типов: угольный (удаляет неприятные запахи), электростатический (задерживает мелкую пыль) и т. п.
12. Вертикальные жалюзи – регулируют направление воздушного потока по горизонтали. Они служат для регулировки направления воздушного потока по горизонтали. Регулировка вручную.
13. Штуцерные соединения (на рисунке не показаны) – соединяют (удерживают) медные трубки, соединяющие внутренний и наружный блоки.
14. Пульт дистанционного управления (на рисунке не показан) – передает команды управления на плату управления.
15. ИК-приемник (на рисунке не показан) – принимает сигналы от пульта дистанционного управления и передает их на микросхему.
16. Термодатчик (на рисунке не показан) — измеряет температуру в испарителе. У некоторых кондиционеров, имеющих режим создания заданной температуры в точке, где находится пульт дистанционного управления. В пульте управления таких кондиционеров имеется дополнительный термодатчик.
17. Управляющая микросхема (на рисунке не показана) – обрабатывает входные сигналы и выдает сигналы управления.
Примечание. При дальнейшем анализе не будут рассмотрены: ТРВ, четырехходовой клапан, фильтры грубой и тонкой очистки, горизонтальные и вертикальные жалюзи, привод горизонтальных жалюзи, штуцерные соединения, пульт дистанционного управления, ИК-приемник, управляющая микросхема и индикаторная панель. Поддон для конденсата будем условно считать внутренним корпусом.
Надсистемные элементы, связанные с внешним блоком:
18. Наружная стена дома – удерживает наружный корпус.
19. Окружающая среда — взаимодействует с наружным корпусом. Будем условно считать – воздух снаружи.
Кроме того, имеются еще общие элементы для этих блоков и дополнительные элементы:
1. Трубки, соединяющие две части кондиционера. По ним движется хладагент.
2. Хладагент – изменяет температуру воздуха (испарение, конденсация).
3. Электрический силовой кабель, соединяющий блоки – передает напряжение питания на компрессор и вентилятор.
Читать бесплатно другие книги:
