Удаление водяного конденсата с поверхности призмы оптического биометрического сканера

   IV конференция "ТРИЗ. Практика применения методических инструментов"

Удаление водяного конденсата с поверхности призмы оптического биометрического сканера

Глазунов Виталий Николаевич

 

История появления этой задачи и её решение несколько необычны. Последние годы я занимаюсь только разработкой инженерных программ и баз данных. Однако, «по старой памяти», ко мне обращаются с просьбой поучаствовать в том или ином техническом проекте. Из-за нехватки времени от таких предложений приходится отказываться. Но один раз поступило предложение, от которого, как говорится, нельзя было отказаться. Мне позвонил старый знакомый по работе в НПО «Молния» и обратился с просьбой помочь решить одну техническую проблему. Ну как отказать человеку, который обучал тебя работать на компьютере, а потом самоотверженно чинил этот компьютер?! На мое счастье он обратился с просьбой в то время, когда проходило тестирование программы Новатор 4.02. Мы с моим «заказчиком» договорились, что я с помощью этой программы попробую решить его проблему. Если решение ему понравится, он может его использовать под своим именем. В качестве «оплаты» за работу, я включу полученное решение в базу проектов Новатора. На том и порешили.

 

Так как «техническое задание» я получил по телефону, то многое мне пришлось додумывать. В результате у меня получилась следующая проблемная ситуация.

 

Проблемная ситуация

Разрабатывается биометрический сканер. Он должен работать как в помещении, так и на открытом воздухе. Температура воздуха, окружающего сканер, может изменяться в  диапазоне   от

–10 до +60 °С. При определённом сочетании влажности, температуры и давления воздуха, находящиеся в нём пары воды конденсируются на поверхности призмы – внешнем элементе оптической системы сканера. В результате на поверхности призмы образуется плёнка конденсата. Зондирующий пучок света, направляемый на исследуемый объект, например, радужную оболочку глаза, проходит через эту плёнку. Свет рассеивается на каплях воды, что существенно снижает точность работы сканера.

Рис. 1. Прохождение зондирующего пучка света через призму сканера.

 

Требуется разработать способ удаления капель водяного конденсата с поверхности призмы.

Как было сказано выше, для разрешения этой проблемной ситуации использовалась программа Новатор 4.02. Учитывая направленность нашей конференции, надо сказать несколько слов о той методической основе, которую эта программа использует. Рабочее название метода, применяемого в программе, – «метод концептуального проектирования». Исходными данными для него служит задача концептуального проектирования, имеющая следующие условия:

дано: цель разработки;

найти: концепции способов и устройств, позволяющие достичь цель разработки.

В зависимости от цели выделяются четыре типа задач концептуального проектирования:

  • создание и устранение объекта;
  • изменение свойств объекта;
  • создание и устранение отношений между объектами;
  • изменение показателей (технической) системы.

 

Доказано, что этот перечень полон и, поэтому, содержит все возможные цели.

 

При решении задач концептуального проектирования выделяют  4 типа объектов:

материальный объект, например, кристалл, проводник, арсенид галлия, ДНК, электрическое поле, видимое излучение, бактерия, соленоид, пена и т.п.;

пространственный объект, например, ось, решетка кристаллическая, плоскость сечения, мениск, труба, пора, трещина, дислокация и т.п.;

динамический объект, например, вихрь, звук, тлеющий разряд, дырка, волна деформации, тепловой шум и т.п.;

процесс, например, горение, адсорбция, плавление, визуализация, качка, циркуляция, перегрев, размягчение и т.п.;

 

Данная классификация получена в результате дихотомического деления объёма понятия «физический объект» и, поэтому содержит полный их перечень.

Рис.2. Классификация физических объектов.

 

Метод концептуального проектирования объединяет в себе ряд частных методов, позволяющих выявить и решить ту или иную задачу концептуального проектирования указанных выше типов. Краткая характеристика этих частных методов приведёна в следующей таблице.

 

Цель метода

Результат

Реализация

Поиск способов достижения типовых целей

Концепции элементарных принципов действия и принципов изменения, полученные за счёт обобщения известных технических решений.

Обобщение известного технического решения является предметом изобретения.

Новатор 4.01 (реализовано)

Поиск обходных целей 2-го порядка

Известные концепции, использованные для достижения новых целей.

Новые способы применения  известных устройств (технологий) являются предметом изобретения.

Новатор 4.01 (реализовано)

Поиск обходных целей 1-го порядка

Обходные цели 1-го порядка и проблемы-антиномии (противоречия), выбранные из модели исходной ситуации.

Новые способы применения  известных устройств и разрешения противоречий являются предметом изобретения.

Новатор 4.02 (реализовано)

Улучшение найденных принципов действия за счёт принципов изменения

Устройства, показатели которых улучшены за счёт изменения материалов, конструкции, режимов работы и взаимодействия со средой и т.п.

Улучшенные устройства имеют новые конструктивные признаки, которые представляют собой предмет изобретения.

Новатор 3.0. Будет включено в

Новатор 4.03

Поиск работоспособных комбинаций элементарных принципов действия

Устройства, использующие новые принципы действия.

Новые принципы действия являются предметом изобретения.

Эдисон 4.03.

Будет включено в Новатор 4.04

Теперь о том, как решалась описанная выше проблема. С помощью программы Новатор 4.02 была проанализирована проблемная ситуация, найдены решения и сформирован отчёт в виде концепт-проекта. В него вошли концепции, позволяющие достичь исходную цель разработки.

 

В программе Новатор 4.02 разработка концепт-проекта разделена на 6 взаимосвязанных этапов.

  1.  Постановка задания: описание исходной целевой или проблемной ситуации, определение вариантов исходной цели разработки, а также запись данных, используемых для оформления титульного листа концепт-проекта.
  2.  Анализ ситуации: построение модели ситуации ®  выбор целей разработки ® ранжирование целей разработки.
  3.  Разработка концепций: запись цели разработки в терминах Новатора ® поиск прямых и обходных концепций ® просмотр и выбор концепций для концепт-проекта.
  4.  Сравнение концепций: выбор показателей качества концепций ® определение степени важности показателей ® расстановка концепций по местам для каждого показателя качества ® расчет относительного показателя качества концепций.
  5.  Поиск в базе данных: поиск дополнительной информации, относящейся к выбранным концепциям.
  6.  Редактирование отчёта: определение списка глав концепт-проекта, а также их содержания.

 

Каждому из указанных этапов соответствует свой режим работы программы Новатор 4.02 (см. рис. 3).

 

Описать механизм работы Новатора, не прибегая к сложным формализмам, невозможно. Поэтому далее будут приведены результаты работы программы на каждом из перечисленных выше этапах и даны краткие методические пояснения.

 

Постановка задания

Был проведён первичный анализ проблемной ситуации. В результате определены 3 варианта исходной цели разработки.

Рис.3. Выбор исходной цели разработки.

Варианты исходной цели разработки:

устранить конденсацию паров воды

удалить капли воды с поверхности призмы

устранить загрязнение поверхности призмы

 

Каждой из этих целей соответствует своя задача концептуального проектирования, которая решается отдельно. В дальнейшем были решены все 3 задачи. Ниже подробно излагается  решение только 1-й задачи, – как устранить конденсацию паров воды. Это направление больше соответствует идеальному конечному результату, так как лучше не допустить нежелательное явление, чем устранять его последствия. Известно, что полностью устранить такие последствия практически невозможно.

Для двух других задач также были найдены интересные решения. Учитывая ограничение на  объём доклада, я перечислю только названия этих решений. Для удаления жидкости с поверхности призмы Новатор предложил следующие способы (концепции): «удар очищает поверхность предмета от жидкости», «поток газа сдувает капли жидкости с поверхности тела»; «пористое тело (капилляр) впитывает жидкость». Для устранения загрязнения поверхности призмы Новатор предложил очистить эту поверхность с помощью пучка электромагнитного излучения или сильного нагрева.

Методическое пояснение.

Обычно для одной ситуации можно указать несколько вариантов исходной цели, эквивалентных по смыслу и/или связанных между собой логически. В Новаторе предусмотрена возможность записать до 5 вариантов исходной цели, которые могут относиться к различным типам (см. ниже раздел «Анализ ситуации»). При дальнейшей работе с программой выбирается один из указанных вариантов. Выбор того или иного варианта исходной цели влияет на результаты анализа ситуации и, в конечном итоге, на содержание концепт-проекта. Варианты исходной цели можно рассматривать, как обходные контекстно-зависимые цели 0-го порядка.

 

Анализ ситуации

Для поиска обходных контекстно-зависимых целей 1-го порядка была построена модель проблемной ситуации с учётом выбранного варианта исходной цели.

Рис.4. Поиск и выбор обходных целей 1-го порядка.

Из модели ситуации были выбраны 3 обходных цели 1-го порядка.

Обходные цели:

Уменьшить размер капель-зародышей на поверхности призмы

Увеличить температуру поверхности призмы

Увеличить температуру окружающего воздуха

 

Методическое пояснение.

Разработку модели ситуации выполняет пользователь программы, используя одну из 10 методик анализа ситуации, «встроенных» в Новатор. Выбор методики определяется типом исходной цели, которая была выбрана при постановке задания.

На данный момент выявлены следующие типы целей разработки:

  • выполнить произвольное действие;
  • измерить параметр объекта (процесса);
  • защитить объект от вредного вещества (потока излучения);
  • обнаружить ненаблюдаемый объект;
  • обнаружить ненаблюдаемый процесс (явление);
  • регулировать параметр объекта (процесса);
  • стабилизировать параметр объекта (процесса);
  • улучшить показатель устройства (технологии);
  • устранить нежелательное явление;
  • устранить нежелательное действие (операцию, функцию).

 

Разработка концепций

Были решены все 3 задачи, сформулированные по выбранным обходным целям.

Далее рассматриваются решения только 1-й задачи, – как уменьшить размер капель-зародышей на поверхности призмы. Именно среди них оказалось наиболее неожиданное решение.

Рис.5. Разработка и выбор концепций для отчёта.

 

Методическое пояснение.

Новатор находит два вида концепций: «прямые» и «обходные». Концепции 1-го вида позволяют достичь цель, указанную а разделе Цель формы «Разработка концепций» (см. рис.5). Для поиска обходных концепций Новатор сначала находит обходные цели 2-го порядка (контекстно-независимые цели), а затем концепции, позволяющие достичь эти цели. Кроме этого Новатор объясняет, почему возможен переход между прямой и обходными целями 2-го порядка. Для выявления переходов между исходной и обходными целями 2-го порядка в программе используется специальная онтология целей.

 

Сравнение концепций

Среди найденных концепций была определена лучшая, т.е. та концепция, которая имеет наибольшее относительное качество.

Рис.6. Сравнение концепций.

 

Методическое пояснение.

Для сравнения концепций в Новаторе применяется метод экспертных оценок, использующий принцип оптимальности по Парето. Использование такого метода позволяет сравнивать концепции и выбирать из них лучшую в условиях большой неопределённости, когда неизвестны даже примерные значения показателей качества сравниваемых концепций.

Поиск в базе данных

Для проведения дополнительных исследований найденных концепций, например, разработки модели для оценки функциональных показателей сканера или определения нежелательных явлений,  возникающих при его работе, концепт-проект был дополнен описаниями 3-х эффектов.

Рис.7. Включение в концепт-проект дополнительной информации.

Методическое пояснение.

Для проведения дальнейших исследований найденных концепций можно использовать дополнительную  информацией из базы данных, которая состоит из 5 разделов:

  • концепции;
  • эффекты;
  • свойства веществ и материалов;
  • математические формулы;
  • определения терминов.

 

Редактирование отчёта

На последнем этапе работы с программой было разработано техническое решение в виде конструктивной схемы. Его основой послужила концепция «Ультразвук дробит капли жидкости»,  т.к. она имеет наибольшее качество среди найденных концепций. Разработанное техническое решение было записано в раздел «Заключение» (см. рис. 8).

Затем был определен перечень разделов, которые должны воходить в концепт-проект. После этого, в автоматическом режиме, Новатор сформировал отчёт о результатах работы в виде готового концепт-проекта объёмом 24 страницы.

Всего в рамках данного «заказа» было разработано 5 концепт-проектов, отдельно для каждой выявленной задачи. На разборку и оформление всех концепт-проектов было потрачено менее 3-х часов рабочего времени!

Рис.8. Редактирование отчёта о работе программы и формирование концепт-проекта.

 

Техническое решение. На основе концепции ультразвукового дробления капель жидкости разработано техническое решение, предотвращающее образование плёнки водяного конденсата на поверхности призмы. С помощью внешнего источника (не показан) в призме возбуждают ультразвуковые волны*. Если на её поверхности образуется капля водяного конденсата, то под действием ультразвука она распадается на части. В результате появляется несколько капель, диаметр которых меньше критического. Такие капли начинают самопроизвольно испаряться при тех же условия, при которых образовалась исходная капля. Тем самым испарение капель жидкости, образовавшихся на поверхности призмы, происходит без «затраты энергии» – за счёт тепловой энергии окружающего воздуха.

Примечание.

* Для снижения расхода энергии на  дробление капель и устранение дифракции зондирующего пучка света на ультразвуке (дифракция Брэгга), лучше использовать поверхностную ультразвуковую волну с вертикальной поляризацией. Такая волна будет распространяться только в поверхностном слое призмы, а в капли будут проникать отходящие ультразвуковые волны.

Рис.9. Ультразвуковая защита поверхности призмы от конденсации водяного пара.

 

Для справки. Части Новатора 4.02 «Анализ ситуаций» и «Поиск в базе данных» реализованы в виде отдельных программ:

  • Эффекты 300 (подробнее см. www.method.ru ® раздел «Эффекты»);
  • АС 1.01  (подробнее см. www.method.ru ® раздел «АС»).

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Subscribe to Comments for "Удаление водяного конденсата с поверхности призмы оптического биометрического сканера"