Выявление ключевых недостатков в технических системах

При решении таких задач изобретателю необходимо выявить ключевые недостатки системы, устранение которых позволит найти новые и интересные решения. Этой процедуре и посвящена данная статья.

Для выявления ключевых недостатков технических систем необходимо выполнить ряд последовательных процедур /В данной работе будут описаны аналитические инструменты, разработанные в научно-исследовательском центре "Алгоритм" (г. Санкт-Петербург)/ компонентный анализ, структурный анализ, функциональный анализ и построение причинно-следственных цепочек нежелательных эффектов.

Компонентный анализ основан на выявлении элементов (компонентов), из которых состоит система, а также элементы надсистемы, с которыми она взаимодействует.

В ходе структурного анализа исследуют взаимодействия между элементами, входящими в компонентную модель.

Функциональный анализ - это анализ технической системы, основанный на выявлении и оценке функций членов компонентной модели. Функции оцениваются по критериям полезности, относительной значимости, качества выполнения и уровня затрат на выполнение.

В данной работе на примерах проиллюстрированы основные этапы выполнения функционального анализа технических систем. Кроме того, показаны некоторые особенности химических систем при выявлении ключевых недостатков.

II. Построение компонентной и структурной моделей технической системы.

При построении компонентной модели необходимо выбрать уровень, на котором будет проводиться дальнейший анализ. Общая структура иерархических уровней компонентов технической системы показана на рисунке 1.

Для выявления ключевых недостатков анализ технических систем (конструкций), как правило, проводят на уровне элементов конструкции. Это позволяет выявить неочевидные ключевые проблемы.

Рассмотрим построение компонентной и структурной моделей на примере технической системы "термопредохранитель".

На рисунке 2 показаны компоненты термопредохранителя.

Он состоит из двух контактов, подвижного и неподвижного. Подвижный контакт "звездочка" прижимается к токовводу с помощью пружины сжатия, которая в свою очередь фиксируется полимерной вставкой, находящейся в твердом закристаллизованном состоянии. При возникновении перегрева в цепи полимер плавится, переставая сдерживать пружину сжатия. Расправление пружины сжатия вызывает расправление размыкающей пружины, которая была предварительно напряжена. Это приводит к отталкиванию "звездочки" от токоввода и, следовательно, к размыканию контактов.

Структурная модель, отражающая непосредственные взаимодействия между компонентами, показана в Таблице 1. Плюсы в данной таблице отражают наличие взаимодействия компонентов, минусы - соответственно, отсутствие.

Эта матрица является проверочной. При дальнейшем построении функциональной модели системы каждому взаимодействию должно соответствовать не менее одной функции.

III. Построение функциональной модели технической системы.

При построении функциональной модели необходимо знать следующие понятия:

ФУНКЦИЯ - действие одного материального объекта по изменению параметров другого материального объекта. Материальным объектом является вещество, поле или их сочетание. Вещество - это объект, обладающий массой покоя. Поле - это объект, не обладающий массой покоя и переносящий взаимодействие между веществами.

ГЛАВНАЯ функция - полезная функция технической системы, для выполнения которой эта техническая система предназначена. Объект надсистемы, на который направлено действие этой функции называется объектом главной функции.

ПОЛЕЗНАЯ функция - функция, удовлетворяющая потребность пользователя.

ВРЕДНАЯ функция - функция, ухудшающая параметры или деятельность объекта.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ функция - полезная функция элемента технической системы, направленная на элемент надсистемы, не являющийся объектом главной функции.

Главную полезную функцию предохранителя можно сформулировать следующим образом: "разъединять контакты цепи под действием температуры, превышающей определенное значение". В таблице 2 представлен фрагмент функциональной модели термопредохранителя.

После формулирования всех функций компонентов необходимо провести их ранжирование и определение степени их выполнения (функция выполняется недостаточно, адекватно, избыточно). После этого все недостатки (вредные и недостаточно выполняемые полезные функции, а также избыточно затратные) записываются в отдельный список для дальнейшего построения причинно-следственных цепочек нежелательных эффектов.

IV. Построение причинно-следственных цепочек нежелательных эффектов.

Большинство недостатков, выявленных в результате функционального анализа, связаны друг с другом причинно-следственным образом. В ходе построения всех причинно-следственных связей можно выявить ключевые недостатки, порождающие все остальные. Путем устранения ключевых недостатков можно существенным образом улучшить систему.

а) "технический" уровень

На рисунке 3 представлен фрагмент причинно-следственной цепочки нежелательных эффектов для термопредохранителя. Основным потребительским недостатком, заявленным при постановке задачи, является температурная нестабильность разрыва электрической цепи. Следовательно, записываем данный недостаток и начинаем от него строить цепочку, выявляя все более глубокие нежелательные эффекты.

В принципе, задача может быть решена при устранении любого из нежелательных эффектов данной цепочки. На практике этим пользуются, выбирая элементы, наиболее доступные для изменения. Однако наиболее эффективным является устранение ключевого недостатка, лежащего в основании цепочки. Это даст наиболее эффективные решения, поскольку ключевой недостаток может приводить к более, чем одному потребительскому недостатку. Из приведенного анализа следует, что одним из выявленных ключевых недостатков является нестабильность свойств полимера. Таким образом, через причинно-следственные цепочки функций мы вышли на "химический" уровень системы, т.е. на свойства материала. Можно остановиться на этом уровне и предъявить к материалу в качестве требования необходимость стабильности его свойств, но интересно понять, чем же обусловлен данный ключевой недостаток. Следовательно, целесообразно продолжать причинно- следственный анализ нежелательных эффектов на "химическом" уровне системы.

б) "химический" уровень

Если проводить анализ системы на "химическом" уровне, то сформулированные по правилам методики [1] внутренние функции компонентов веществ и материалов в основном будут ограничиваться понятиями "удерживать". При таких формулировках теряется набор свойств, или другими словами, возможностей, которыми обладают эти вещества и материалы. А эти свойства и задают свойства самой конструкции, изготавливаемой из данного материала, а, следовательно, и ее функциональные возможности, позволяющие устройству удовлетворять потребности человека.

При переходе на уровень материала представляется разумным оперировать набором его свойств, необходимых для обеспечения конкретных функций. Для выявления недостатков на более глубоком иерархическом уровне системы предлагается строить причинно-следственные цепочки нежелательных эффектов, основываясь не на функциях, а на свойствах компонентов. На "химическом" уровне компонентами являются вещества, их части, надмолекулярные образования (см. рис. 1).

На рисунке 4 представлены причинно-следственные цепочки нежелательных эффектов для свойств полимера.

Видно, что более глубокий анализ свойств материала позволяет выйти на ключевые недостатки структуры материала (наличие остаточных радикалов, широкое молекулярно-массовое распределение полимера и др.). С помощью функций не удается дойти до такого уровня анализа.

Если же исходным объектом анализа является какое-либо вещество (например, пищевой продукт), и проблема состоит в улучшении ряда его параметров, мы уже в начальной ситуации находимся на уровне материала, и для поиска нетривиальных ключевых задач необходимо проводить анализ на более глубоких уровнях его строения.

В пищевых продуктах от главной полезной функции мы сразу переходим на анализ свойств материала. Потребительские недостатки (так называемые пороки продукта) обычно формулируются на языке свойств. Например, плохая текстура продукта складывается из ряда таких пороков; одним их них является недостаточно глянцевая поверхность (рисунок 5).

В результате построения причинно-следственных цепочек нежелательных свойств удалось выйти на решение задач по снижению молекулярного веса желатина и гидрофилизации (повышение количества полярных групп) полисахаридов для устранения недостатков продукта.

Следовательно, анализируя нежелательные эффекты технической системы при переходе на уровень материала необходимо анализировать его свойства, что позволит выйти на нетривиальные ключевые задачи. Кроме того, специалисты в области химии, к которым приходится обращаться за консультациями, привыкли разговаривать о веществах на языке свойств. Им не понятен язык функций. Поэтому, для решения задач на усовершенствование свойств материала удобнее выявить набор требуемых свойств на уровне строения вещества и сформулировать задачи для модификации исходных или поиска новых составляющих материалов компонентов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, последовательное выполнение компонентного, структурного и функционального анализа системы, а также построение причинно-следственных цепочек нежелательных эффектов позволяет выявить нетривиальные ключевые недостатки. Устранение именно ключевых недостатков, в том числе на уровне строения материала, приводит к более эффективным изменениям системы и расширению поля возможных решений. Описанные выше рекомендации могут быть использованы для разработки инновационных продуктов в пищевой, фармацевтической отраслях промышленности, а также при усовершенствовании конструкционных материалов.