Модифицированный алгоритм диверсионного анализа ТС на переходном этапе развития. Опыт применения.

Материалы III конференции "ТРИЗ. Практика применения методических инструментов" 

Модифицированный алгоритм диверсионного анализа ТС на переходном этапе развития. Опыт применения.

Абрамов О.Ю.

Введение

В данной работе представлен пример практического применения разработанной  автором методики Диверсионного Анализа (ДА) Технических Систем (ТС), находящихся на переходном от первого ко второму этапе развития[1].

Данная методика является модификацией известной методики выявления скрытых нежелательных эффектов (НЭ) в ТС, предложенной  Б.Злотиным и А.Зусман [1-3].

В сравнении с оригинальной методикой ДА [1-3], предложенная автором специализированная методика отличается значительно меньшей трудоемкостью и гарантирует выявление наиболее важных скрытых НЭ даже при ее использовании в экспресс проектах[2]. Это достигнуто путем сужения поля выявляемых НЭ только теми из них, которые связаны с выполнением Главной Функции (ГФ) ТС, и путем использования разной глубины анализа в зависимости от опасности НЭ.

Краткое описание примененной методики ДА

Предложенная автором методика ДА предназначена в первую очередь для выявления и последующего устранения скрытых НЭ в ТС, находящихся на переходном этапе. Такие ТС особенно нуждаются в ДА, так как на этом этапе лабораторный прототип ТС уже успешно работает и очевидных НЭ не видно, а скрытые НЭ еще не проявились.

Соответственно, главная задача этой методики - выявление и устранение скрытых НЭ на этапе функционирования ТС с целью скорейшего вывода ее на рынок. Более широкие задачи - выявление скрытых проблем и чрезвычайных ситуаций, которые ТС может создать на других этапах своего жизненного цикла, не ставятся.

Общая структура предлагаемого алгоритма ДА, впервые описанная автором в работе [4] и доработанная в течение последнего года, показана на Рис. 1.

Главные отличия этого алгоритма от оригинального алгоритма ДА [1-3] даны ниже:

  • В оригинальном алгоритме диверсионная задача формулируется на первом же шаге, причем в самом общем виде: как создать возможность появления чрезвычайных ситуаций, вредных и нежелательных явлений, связанных с данной ТС? Такая постановка задачи охватывает огромное количество скрытых НЭ, большинство из которых, в конце концов (после весьма трудоемкого анализа), оказываются пренебрежимыми. В предлагаемом же алгоритме ДА выявляются только главные - ключевые скрытые НЭ.
  • В оригинальном алгоритме поиск возможных путей появления НЭ производится, в основном, с помощью перечней типовых вредных воздействий на человека, ТС и окружающую среду, типовых опасных зон и т.п. Такой подход не гарантирует надежного выявления всех наиболее опасных скрытых НЭ. В предлагаемом же алгоритме ДА НЭ выявляются с помощью хорошо проработанных и эффективных инструментов ТРИЗ/G3-ID, таких, как Функциональный Анализ и Анализ Причинно-Следственных Цепочек НЭ (ПСЦНЭ), что позволяет гарантированно выявить все наиболее важные НЭ.

Рис. 1. Структура предлагаемого алгоритма ДА

Опыт практического применения предлагаемой методики ДА

Описание исходной ситуации и цели проекта

Проект был выполнен по заказу группы инвесторов, вложивших свои деньги в разработку Гидрокератома, призванного заменить механические микрокератомы, используемые для отделения лоскута роговицы глаза при лазерной коррекции зрения.

Главная цель проекта - выявить потенциальные недостатки/слабые места Гидрокератома и предложить решения для их устранения. Длительность проекта от момента получения исходной информации о ТС была ограничена шестью неделями, включая время на подготовку отчетных материалов.

В данной работе основное внимание уделено выявлению недостатков прибора, а предложенные решения по их устранению не раскрываются.

Основные компоненты Гидрокератома показаны на Рис. 2. Это следующие узлы:

  • Hand piece, с помощью которого осуществляется рез роговицы. Этот компонент находится в руке у хирурга и закрепляется им на глазу пациента. Hand piece связан с основным блоком прибора вакуумными трубками, шлангом высокого давления из нержавеющей стали, по которому подается вода, и электрическим кабелем управления. Устройство hand piece поясняется на Рис. 3.
  • Вакуумная и аспирационная система,  необходимые для прикрепления (присасывания) hand piece к глазу пациента с целью его фиксации, а также для удаления продуктов резания и отработанной воды из операционной зоны.
  • Пневматическая и гидравлическая система, создающая давление воды, нужное  для формирования режущей водяной струи с требуемыми параметрами. Основной частью этой системы является усилитель давления, преобразующий давление сжатого азота в нужное давление воды на выходе.
  • Электрическая система управления водяной струей. 

Гидрокератом работает следующим образом. Hand piece (Рис. 3) с помощью вакуумного кольца присасывается к глазу пациента. При этом роговица глаза плотно прижимается к стеклянной пластине – аппланатору, и уплощается. Оператор контролирует диаметр прилегающего к аппланатору пятна роговицы по показаниям цифрового индикатора на основном блоке прибора. При достижении требуемого диаметра оператор сообщает об этом хирургу и последний включает процесс реза лоскута роговицы. При этом вода под давлением 20000 psi подается в hand piece и через сапфировое сопло диаметром 35 мкм выбрасывается в виде струи, проходящей параллельно плоскости аппланатора. Одновременно включается электропривод, перемещающий режущую струю в течение одной секунды параллельно плоскости аппланатора на заданное расстояние. Для того, чтобы избежать засорения сопла случайно попавшими в воду твердыми частицами, в hand piece установлены последовательно два фильтра – с отверстиями 20 и 0,2 мкм.

Разработчики прибора утверждали, что прототип Гидрокератома уже достаточно хорошо работает, начаты его клинические испытания и существенных проблем в его работе не обнаруживается.

Рис. 2. Компоненты ТС Гидрокератом

 

Рис. 3. Устройство hand piece Гидрокератома


Основные результаты анализа

Сначала была предпринята попытка применить оригинальную методику ДА, которая показала невозможность выполнения проекта в отведенные сроки, так как скрытые НЭ, выявляемые с помощью перечней типовых вредных воздействий на человека, ТС и окружающую среду были многочисленны, но, в большинстве своем, не серьезны и не связаны с конкретной конструкцией Гидрокератома.

Типичный пример такого НЭ - возможность электротравмы (как у пациента, так и у хирурга) при нарушении заземления Гидрокератома и пробое питающего его напряжения на корпус. Такой НЭ возможен в любом электроприборе, меры борьбы с ним известны, и они уже были предприняты в анализируемом прототипе прибора. Выявление такого рода НЭ не представляло интереса для Заказчика.

Анализ огромного числа подобных НЭ для выделения из них действительно серьезных, потребовал бы намного больше времени, чем было отведено на проект. Поэтому-то и была разработана и применена описанная выше методика ДА.

Выполнение шагов 1-3 (Рис. 1) этой методики не отняло много времени и не вызвало затруднений. Результаты этой работы представлены ниже в Табл. 1. Как видно из Табл. 1, все выявленные надсистемные НЭ относятся к группам критических[3] и небольших НЭ. Катастрофических и пренебрежимых НЭ не выявлено.

Табл. 1. Иерархия серьезности выявленных НЭ

Группа НЭ

Надсистемные НЭ

Нежелательные отклонения ГТП от нормы

Вероятные последствия НЭ

Критические НЭ

Травма оперируемого глаза

  • Лоскут слишком толстый (толще роговицы)
  • Профиль лоскута слишком неровный
  • Диаметр лоскута слишком велик (больше диаметра роговицы)
  • Вакуум в вакуумном кольце слишком глубокий
  • Время реза слишком велико
  • Пациент может навсегда потерять зрение или ему потребуется длительное лечение
  • Ремонт Гидрокератома

Испорченный лоскут или неправильный рез

  • Лоскут слишком тонкий или он перфорирован
  • Лоскут слишком толстый (но тоньше роговицы)
  • Диаметр лоскута слишком мал
  • Рез не проходит через роговицу и лоскут не формируется
  • Ножка лоскута (hinge) слишком мала или лоскут полностью отрезан от роговицы
  • Отмена операции на несколько недель до приживления испорченного лоскута
  • У пациента возможны сильные болезненные ощущения, требующие длительного лечения
  • Ремонт Гидрокератома

Небольшие НЭ

Отсутствие реза

  • Полный или частичный отказ Гидрокератома. Водяная струя не включается.
  • Отсрочка операции, ремонт Гидрокератома

На шаге 4 (Рис. 1) представленные в Табл. 1 надсистемные НЭ были подвергнуты причинно-следственному анализу для выявления ключевых НЭ в Гидрокератоме, которые могут их вызвать. Анализ делался в два этапа: сначала - анализ ПСЦНЭ на верхнем уровне иерархии, выявивший 35 системных целевых[4] НЭ (см. фрагмент этого анализа на  Рис. 4), а затем - более глубокий анализ причинно-следственных цепочек наиболее серьезных целевых НЭ, позволивший выявивить ключевые НЭ.

Рис. 4. Анализ причин отклонения толщины и диаметра лоскута от нормы (фрагмент)

Некоторые из выявленных ключевых НЭ, которые могут вызвать критические НЭ в надсистеме (см. Табл. 1) представлены ниже:

  • Крупные (> 35 мкм) твердые частицы загрязнений как-то образом образуются внутри гидравлической системы Гидрокератома. (Такие частицы застрянут в сопле и блокируют или отклонят режущую струю) 
  • Фильтр с порами 20-мкм по каким-то причинам не задерживает эти  частицы.
  • Фильтр с порами (0,2 мкм) по каким-то причинам не задерживает эти частицы.
  • Слишком большое усилие приложено к  винтам, крепящим направляющие привода водяного ствола. (Крепление может ослабнуть или винты могут быть срезаны и юстировка водяной струи нарушится)
  • Усилитель давления отказывает во время операции.

На шаге 5 (Рис. 1) были сформулированы ключевые диверсионные задачи путем инвертирования выявленных ключевых НЭ. Например, для приведенных выше НЭ ключевые диверсионные задачи сформулированы так:

  • Как ввести крупные (> 35 мкм) частицы загрязнений внутрь гидравлической системы Гидрокератома? 
  • Как сделать, чтобы крупные частицы прошли через фильтр с порами 20-мкм?
  • Как сделать, чтобы крупные частицы прошли через фильтр с порами 0,2 мкм?
  • Как приложить достаточно большое усилие к  винтам крепления направляющих привода водяного ствола, чтобы их срезало?
  • Как вывести из строя усилитель давления?

Шаг 6 (Рис. 1) является специфическим и критичным для анализа ТС на переходном этапе развития. В таких ТС разработчики часто используют стандартные узлы и детали в нештатных режимах эксплуатации, что приводит к непредсказуемому отказу этих элементов и всей ТС. На этом шаге было выявлено следующее:

  • Усилитель давления сильно перегружен и будет часто отказывать. Он работает при давлении 20000 psi, а его максимальное рабочее давление £15000 psi. То есть, диверсионная задача как вывести этот узел из строя, уже решена в ТС.
  • Усилие, приложенное к винтам крепления направляющих привода водяного ствола может достигать 12 кг, а предельное усилие, которое они могут выдержать ≤ 8-10 кг. Таким образом, соответствующая диверсионная задача тоже уже решена.  
  • Датчик давления азота работает при давлении100 psi, что близко к предельному для него рабочему давлению 101,5 psi. В этих условиях небольшое случайное повышение давления в системе легко может вывести датчик из строя.
  • Датчики разрежения, использованные в вакуумной и аспирационной системах, предназначены для работы в сухой атмосфере, а работают в условиях высокой влажности. По данным производителя это резко снижает срок их службы.

Каждый из перечисленных выше компонентов может выйти из строя в любой момент, что способно вызвать как небольшие, так и критические НЭ в надсистеме.

На шаге 7 (Рис. 1) все сформулированные на шаге 5 ключевые диверсионные задачи были решены с использованием имеющихся в Гидрокератоме ресурсов. Решение некоторых задач потребовало использования АРИЗ. Примеры решений даны ниже:

  • Крупные частицы могут проникать в гидравлическую систему Гидрокератома при техническом обслуживании прибора или образовываться внутри нее, например, за счет разрушения фильтра тонкой очистки.
  • Фильтр с порами 0,2 мкм смещается под действием высокого давления и крупные частицы могут обходить его в местах уплотнения.
  • Фильтр с порами 20 мкм пропускает сферические частицы размером 35 мкм с вероятностью 0,1% (паспортные данные!). Несферические же частицы длиной 35 мкм, проникают через него с намного большей вероятностью.

В результате работы был составлен список сценариев возникновения НЭ, которые рано или поздно неизбежно реализуются:

  1. Внезапное отклонение или блокирование водяной струи во время операции крупными частицами загрязнений, попавшими в сопло, формирующее струю. Последствия могут быть критическими – велик риск, что пациент потеряет глаз. (На презентации результатов проекта Заказчик признал, что такой НЭ произошел как раз накануне - во время испытания прибора на слепом добровольце водяная струя внезапно отклонилась внутрь глазного яблока и прорезала его.)
  2. Крепление водяного ствола в процессе эксплуатации будет быстро приобретать люфт, качество реза будет ухудшаться, а hand piece будет требовать частого ремонта и юстировки. (Заказчик признал, что это действительно имеет место.)
  3. Регулярно будет выходить из строя усилитель давления, который работает в режиме сильной перегрузки. (Заказчик признал, что и это имеет место.)
  4. Непредсказуемо, не выработав свой рабочий ресурс, будут выходить из строя и требовать замены датчики разрежения в аспирационной и вакуумной системах, работающие в условиях сильно повышенной влажности.
  5. При небольшом (всего на 1,5-2%) случайном повышении давления азота в пневматической системе, установленный в ней датчик давления выйдет из строя или выдаст неверные данные контроллеру, что нарушит работу Гидрокератома.

Выводы из ДА Гидрокератома

  1. Существующий прототип Гидрокератома является опасным для пациентов. Его использование может привести к травмированию опрерируемого глаза из-за попадания частиц загрязнений в выходное сопло гидравлической системы. Вероятность засорения этого сопла полностью устранить нельзя.
  2. Существующий прототип прибора будет часто выходить из строя из-за отказа усилителя давления, датчиков давления и крепления направляющих привода водяного ствола, которые работают за- или на границе области допустимых режимов эксплуатации. Прибор необходимо доработать.
  3. Применение модифицированного автором алгоритма ДА позволило успешно выполнить проект в срок, что доказывает эффективность этого алгоритма.

Список использованной литературы

  1. Злотин Б.Л., Зусман А.В. Решение исследовательских задач. – Кишинёв: МНТЦ «Прогресс», «Картя Молдовеняскэ», 1991.
  2. Злотин Б.Л., Зусман А.В. Методика прогнозирования чрезвычайных ситуаций, вредных и нежелательных явлений (экспериментальная, учебный текст). – Кишинев: МНТЦ "Прогресс", 1991. http://metodolog.ru/00891/00891.html
  3. S. Kaplan, S. Visnepolschi, B. Zlotin, A. Zusman. New tools for failure & risk analysis. Anticipatory Failure Determination (AFD) and The Theory of Scenario Structuring / Ideation International Inc., 1999, 2005. – USA: ISBN 1-928747-0-51. http://www.ideationtriz.com/new/materials/AFDNewToolsbook.pdf
  4. Абрамов О.Ю. Применение «диверсионного анализа» в техническом ТРИЗ-консалтинге /  Три поколения ТРИЗ / Материалы конференции 25 октября 2003г. – Региональная общественная организация «ТРИЗ-Петербург».- СПб.: 2003.– c.104 -110.


[1] Далее в тексте работы будем называть его просто переходным этапом.

[2] Экспресс проектами здесь понимаются консультационные проекты, длительность которых (исключая выполнение отчетной документации) не превосходит 2-3 недель.

[3] В предлагаемой методике выявленные НЭ разделяются на катастрофические, критические, небольшие и пренебрежимые по степени их влияния на возможность коммерциализации ТС

[4] Эти НЭ являются целевыми в том смысле, что могут быть использованы в качестве целевых (или начальных) НЭ при построении более глубоких ПСЦНЭ.

 

RSS-материал