Усовершенствованный функциональный анализ: применение для анализа технических систем со сложными взаимосвязями

Усовершенствованный функциональный анализ: применение для анализа технических систем со сложными взаимосвязями.

Н. Фейгенсон(Россия), Bong Kyoung Park(South Korea,).

Аннотация

Приведено общее описание усовершенствованного функционального подхода (Advanced Functional Approach) Показаны фрагменты практических применений этого подхода в аналитической части проекта по разработке мер по повышению безопасности литий-ионных источников тока.

Методический базис

Настоящая работа посвящена дальнейшему развитию усовершенствованного функционального подхода (Advanced Functional Approach, далее по тексту - AFA).

Информация о об этом подходе содержится в [1, 2].Сущность AFA вкратце сводится к следующему:

  • В дополнение к традиционному [3] функциональному анализу предлагается при формулировке функций указывать «время выполнения функции» и «место выполнения функции»
  • Такой формат выполнения функционального описания технических систем позволяет:
    • Произвести более полное и точное описание действий, происходящих в изучаемой системе и избежать потерь информации при составлении функциональной модели
    • Облегчить выявление и формулировку возникающих в системе нежелательных эффектов и физических противоречий с «привязкой» места и времени их проявления
    • Упростить процедуры проведения последующих видов анализа – потокового и причинно-следственного
    • Более «прицельно» определять требуемые и имеющиеся вещественно-полевые ресурсы
    • Формулировать более точный по параметрам «время/характерный размер» поисковый образ для проведении функционально – ориентированного информационного поиска как на стадии анализа процессов, так и на стадии поиска решений

Один из недостатков AFA – отсутствие однозначных рекомендаций по графическому представлению функциональной модели. В данной работе показан на конкретном примере из  реального проекта один из успешных вариантов наглядного графического представления как хода анализа, так и результатов AFA.

 

Краткое описание проекта

Литий ионные аккумуляторы (Li-ion Battery – далее по тексту LIB) в силу ряда достоинств являются наиболее распространенными источниками питания для многих устройств – от мобильных гаджетов до гибридных автомобилей и хранилищ энергии в «умных сетях». Устройство призматического литий ионного аккумулятора(LIB) схематически показано на рис. 1.

Рис.1. Схема призматической LIB с устройствами обеспечения безопасности(NSD – Nail Safety Device,  патент США US20110136002)

Один из ключевых факторов, определяющих сферу успешного применения LIB – обеспечение безопасности при эксплуатации. Среди источников опасности наиболее важным является возникновение внутреннего короткого замыкания между активными материалами электродов. При этом вся электрическая энергия заряженного аккумулятора локально выделяется в короткое время. Но ещё более опасными являются химические реакции и физические явления, инициируемые прохождением тока короткого замыкания и сопутствующим нагревом. Сложно взаимосвязанные механические, тепловые, электрические и физико-химические процессы определяют возможные сценарии развития аварийной ситуации. Следует отметить, что с учетом этих процессов удельная энергия LIB, выделяемая при внутреннем коротком замыкании, в итоге приближается к аналогичному показателю для пороха[4].

Наиболее распространенная методика тестирования LIB на стойкость против проявления последствий внутреннего короткого замыкания – так называемый Nail Penetration Test(NPT). Техника проведения этого теста проиллюстрирована на рис.2 на примере цилиндрической LIB. Заряженный аккумулятор протыкается гвоздем диаметром 3 мм с постоянной скоростью, прохождение тест фиксируется с помощью видеосъёмки, а также фиксируется изменение напряжения на клеммах и изменение поверхностной температуры аккумулятора в нескольких точках. Наглядное представление о прохождении NPT можно получить из видеофрагментов [5].

Рис.2 Иллюстрация Nail Penetration Test (на примере цилиндрической LIB)[5]

 

В зависимости от результатов теста производится оценка по шкале уровней безопасности. Низший нулевой балл присваивается в случае нормального продолжения работы аккумулятора, высший 7-й балл (худший результат) соответствует взрыву аккумулятора. Несмотря на значительное количество исследований, полного описания происходящих при NPT процессов получить не удалось. Ситуация осложняется тем, что материалы и конструкция LIB постоянно усовершенствуются в целях повышения эксплуатационных показателей и это влияет на поведение при тестировании.

Цель выполненного проекта – улучшить показатель безопасности при NPT. При этом в рамки проекта не входило усовершенствование «внешних» систем автоматической диагностики/предотвращения аварийного состояния. Требовалась разработка мер, которые бы осуществлялись при отказе этих систем, на «физическом» уровне и за счет процессов в самом аккумуляторе. Существенным ограничением для всех предполагаемых улучшений безопасности являлась недопустимость снижения достигнутых эксплуатационных показателей LIB.

Методика выполнения AFA

Вследствие ограничений по объему публикации в данной работе представлено описание аналитических процедур только в самом общем виде.
Первым и существенным результатом применения AFA было выделение только высокоскоростных процессов – сам процесс проникновения гвоздя занимал 0,4 секунды, последствия проникновения (появления искр, пламени, дыма и др.) возникали на самых начальных этапах теста и все последующие существенные процессы продолжались около 5 минут. Учет этого обстоятельства позволил существенно снизить объем рассматриваемых вариантов развития аварийной ситуации при тестировании.

Рис. 3 Упрощенная структура LIB 

Для литий ионного аккумулятора вследствие его «слоистой» структуры (см. рис.3) удалось построить достаточно наглядное графическое отображение происходящих процессов. Процессы в каждом слое описывался в непосредственной «привязке» к месту их прохождения. Последовательность осуществления процессов была скоординирована по горизонтальной оси – оси времени.

Ещё одно методическое новшество – применение оператора МАТХЭМ на стадии функционального анализа. Обычно оператор МАТХЭМ применяется на стадии решения выявленных проблем для поиска полевых ресурсов и представляет собой сокращенный перечень основных полей, применяемых в ТРИЗ[6]. Это, казалось бы несущественное расширение применения оператора привело к достаточно выразительным последствиям. Разбиение возникающих процессов на «полевые» составляющие позволило более детально и широко рассмотреть возможные сценарии развития аварийных событий. При традиционно проводимых научных исследованиях обычно выделяется одна группа - только механических или только тепловых процессов - процессов и для неё строится модель происходящих событий. В случае применения AFA рассмотрение имеет более широкий характер и «внешнюю» направленность. Пользуясь менее точным по сравнению компьютерным моделированием AFA описанием процессов, мы используем дополнительно функционально – ориентированный поиск для расширения перечня возможных вариантов-аналогов осуществления описываемого процесса.

Более того, используя оператор МАТХЭМ уже на стадии построения AFA модели, мы пришли к заключению, что потоковый анализ как таковой оказался в данном конкретном проекте излишним. Все необходимые сведения о существенных потоках были включены в функциональную AFA-модель, «привязаны» к месту и времени их проявления и увязаны с взаимодействующими другими потоками.

Рис.4. Фрагменты функциональной модели – а)механические и электрические процессы, б) тепловые и химические процессы, в) условные обозначения

Пример 1. Достаточно очевидное последствие протыкания острым предметом листового нетканого материала – возникновение заусенцев. Легко убедиться в этом, проткнув лист бумаги любым острым предметом. Достаточно очевидно, что и про протыкании слоистого пакета тоже происходит образование заусенцев – они не очень хорошо проявляются внутри слоёв, но наглядно видны в нижнем слое. Очевидно, что эти заусенцы оказывают влияние на возникающее короткое замыкание и соответственно – на результаты тестирования. Тем не менее, не удалось обнаружить ни одной публикации, где это влияние хоть как то рассматривалось. Но образование утонченных кромок заусенцев внутри активных заряженных слоёв аккумулятора приводит не только к их нагреву проходящим током, но и плавлению, испарению металлических частей и возникновению неустойчивого дугового (плазменного) разряда. Температура так называемой «холодной» плазмы этого разряда составляет уже тысячи градусов и сама плазма является эффективным инициатором химических реакций.

Рис.5 Схема возникновения заусенцев и варианта последующего влияния их на образование дугового разряда.

Следует отметить, что избавившись от вредного влияния возникающих заусенцев, мы улучшим только процедуру прохождения NPT. Сопротивляемость LIB появлению внутренних коротких замыканий обеспечивается предупреждением внесения случайных металлических загрязнений, подавлением образования и роста кристаллов при эксплуатации, высокими термомеханическими свойствами сепаратора. Иными словами, в данном проекте мы столкнулись с достаточно часто встречающейся ситуацией: меры обеспечения реальной безопасности и меры для прохождения стандартного испытания на безопасность не идентичны. На практике требуется разработка и тех и других мер.

Пример 2. Рассмотрение корпуса аккумулятора как сосуда работающего под давлением, а углеводородных компонентов электролита как интенсивно нагреваемых/испаряющихся жидкостей в сочетании с тривиальным функционально ориентированным поиском приводит к аналогии с известным в пожарном деле явлением BLEVE[7](от Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion или взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости). В условиях описываемого проекта эта аналогия позволила использовать уже детально разработанные математические модели для обоснованного решения назначения размеров и критического давления срабатывания встроенного разрушаемого предохранительного клапана(safety vent; см. Рис.1).

Пример 3. Рассмотрение в рамках «химических полей» возможных экзотермических реакций, проходящих в процессе NPT, привело к обнаружению ещё одного ранее не описанного взаимодействия – чрезвычайно энергичной реакции между расплавленным алюминием и водой. Хотя появление даже следов воды внутри LIB с неводным электролитом тщательным образом предотвращают, пары воды образуются в ходе «аварийных» химических реакций. В процессе выполнения проекта был такой эмоционально приятный эпизод. Наши заказчики принесли на рабочую встречу изумивший их образец. «Вскрытие» этого образца после проведения NPT испытаний показало – вдруг и впервые! – полное исчезновение алюминиевой фольги - токоподвода. У ТРИЗ группы как раз к этому совещанию уже было готово объяснение возможности проявления этого феномена.

Последующие шаги аналитической части проекта – выделение ключевых задач, паспортизация ресурсов – производились традиционным образом. Пожалуй, отличительной особенностью было то обстоятельство, что достаточно наглядно обнаруживались комплексы явлений, объединённые положительной обратной связью, приводящие в совокупности ускоренному самоподдерживающемуся развитию вредоносных процессов. Формулировки проблем, хотя и «навеянные» AFA-моделью, производились применительно к компонентам аккумулятора. Это было обусловлено тем, что в кросс - функциональную команду данного проекта были включены представители нескольких лабораторий. Эти лаборатории были специализированы по компонентному признаку (разработка и исследование электролита, анодных и катодных материалов, сепаратора и проч.)

Базируясь на результатах аналитической части, с применением решательных инструментов ТРИЗ, были разработаны концептуальные решения. Часть решений была опробована экспериментально и находится в стадии внедрения.

 

Обсуждение результатов

Если говорить об общих результатах применения AFA варианта функционального анализа в данном и нескольких последующих проектах, то важно отметить следующее.

Подобный подход, который удалось осуществить в достаточно наглядной форме, был признан удобной платформой для совместного обсуждения ранее разобщенных подходов. В частности, выделялись спорные, требующие экспериментального уточнения или проведения компьютерного моделирования. Отметим, что в процессе коллективной работы никаких особых методических сведений сообщать участникам команды не потребовалось. В процессе обсуждения отдельные фрагменты модели уточнялись, дополнялись и корректировались. Естественный результат такой совместной деятельности – более благожелательное восприятие концептуальных решений, разработанных на базе этой - уже совместной - платформе.

В приведенном в данной статье примере нами было разработано удачное графическое воплощение процесса и результатов AFA варианта функционального анализа. Насколько описанный подход универсален? В настоящее время мнение авторов сводится к следующему: пространственное выделение компонентов и «развертка» происходящих в них процессов во времени удобна для композиционных материалов и происходящих в них процессах. Для случая анализа систем с движущимися частями могут потребоваться иные графические представления. Разработка таких представлений, выделение из них некоторых «эталонных» примеров – одно из дальнейших путей развития AFA.

Материалы данной работы были частично доложены на Global TRIZ Conference-2013; Seoul, South Korea, July;2013

 

Цитируемые источники

1. Litvin S., Feygenson N., Feygenson O. Advanced Function Approach. Procedia Engineering; Volume 9, 2011, Pages 92-102. Proceeding of the ETRIA World TRIZ Future Conference
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705811001202
2. О.Фейгенсон "Усовершенствование методики функционального анализа технических систем". Диссертационная работа для проведения сертификации по ТРИЗ на высший уровень (Мастер ТРИЗ), 2010, 46 стр. Доступно для скачивания http://www.triz-summit.ru/ru/section.php?docId=4694

3. Герасимов В.М., Калиш В.С., Карпунин М.Г., Кузьмин А.М., Литвин С.С., «Основные положения методики проведения функционально-стоимостного анализа: Методические рекомендации». - М.: «Информ-ФСА», 1991. — 40 с.

4. http://www.college-de-france.fr/media/jean-marie-tarascon/UPL8398143038843224513_DANIEL_DOUGHTY.pdf

5.http://www.youtube.com/watch?v=f30fBFitkSM http://www.youtube.com/watch?v=2xtmBJ9X8Y8

6. Рубин М. Мифы о законах развития технических систем. 2009
http://www.temm.ru/ru/section.php?docId=4384

7. http://en.wikipedia.org/wiki/Boiling_liquid_expanding_vapor_explosion

 

 

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Комментарии

Re: Усовершенствованный функциональный анализ: применение ...

Изображение пользователя Gregory Frenklach.

При описании нежелательного эффекта мы всегда определяем для этого эффекта его время, место и суть. Нежелательные эффекты часть специалистов по ТРИЗ называет также вредными функциями. Следовательно, можно относиться к полезным функциям, как к желательным эффектам со всеми вытекающими - определять для них время, место и суть. Выявлять эту самую суть в работе предложено с помощью МАТХЭМ. И действительно гораздо легче искать что-то более конкретное, связанное, например, с тепловым или электрическим полем, нежели искать что-то вообще.
При этом я, руководствуясь "симметрией", приложил бы не только время и суть (включая контекст) к функциям (действие+объект+параметры), а также  действие, объект и параметры к нежелательным эффектам, для которых время, место и суть мы и так определяли.

Re: Усовершенствованный функциональный анализ: применение ...

Gregory,

Так называемый "нежелательный" эффект - для которого нужно , согласно Вашему комментарию, определить и время и место - это дополнительная сущность, вводимая/возникающая из-за слишком лапидарного описания функций. Без этой сущности можно легко обойтись за счет перехода к более подробному функциональному описанию.

Последнюю фразу комментария мне понять не удалось....

Re: Усовершенствованный функциональный анализ: применение ...

Изображение пользователя Gregory Frenklach.

Наум,
1. Если нежелательный эффект назвать вредной функцией или как-то по-другому (в рамках описания функций) количество самих сущностей, по-моему, не уменьшается - это скорее игры с иерархией этих самых сущностей. Например, в случае вредной функции вместо нежелательного  эффекта эта сущность (нежелательный эффект) просто становится "подсущностью" сущности "функция". Я бы не стал из-за этого копья ломать.
2. В "непонятной" фразе имелось в виду, что для нежелательного эффекта мы формально не описываем действие, субъект действия, объект действия, контекст действия и параметры, как при формальном описании полезной функции, но при этом описываем время место и суть. Вот из "симметрии" подхода и получается, что если к описанию полезной функции (как желательного эффекта) Вы прдлагаете добавить время, место и суть - то и к описанию нежелательного эффекта (как вредной функции) стоит добавить формальное описание действия(й), субъекта(ов) действия, объекта(ов) действия, контекста действия(й) и параметры(ов)

Re: Усовершенствованный функциональный анализ: применение ...

Изображение пользователя GIP.

Gregory Frenklach wrote:

Наум,
1. Если нежелательный эффект назвать вредной функцией или как-то по-другому (в рамках описания функций) количество самих сущностей, по-моему, не уменьшается - это скорее игры с иерархией этих самых сущностей. Например, в случае вредной функции вместо нежелательного  эффекта эта сущность (нежелательный эффект) просто становится "подсущностью" сущности "функция". Я бы не стал из-за этого копья ломать.

Хм... Любой эффект - результат, являющийся следствием каких-либо действий. Именно многих, а не одного, как следует из функции. Поэтому структура функции - лишь часть структуры эффекта, а не наоборот. К слову, еще никто не пробовал составить функциональную структуру какого-либо физэффекта?

Вообще должен сказать, что понятие "функция" - это не сущность, а лишь какая-либо ее часть. И уж тем более функция - не сущность ситуации, представляющей собой совокупность эффектов.

Другими словами, понятие "функция" - не сущность , а удобный человеку  субъективный путь перехода к (физическому) смыслу действия. Но разве оное одно что-то может так однозначно сотворить? Разве что - логическую ошибку :)

Quote:

2. В "непонятной" фразе имелось в виду, что для нежелательного эффекта мы формально не описываем действие, субъект действия, объект действия, контекст действия и параметры, как при формальном описании полезной функции, но при этом описываем время место и суть. Вот из "симметрии" подхода и получается, что если к описанию полезной функции (как желательного эффекта) Вы предлагаете добавить время, место и суть - то и к описанию нежелательного эффекта (как вредной функции) стоит добавить формальное описание действия(й), субъекта(ов) действия, объекта(ов) действия, контекста действия(й) и параметры(ов). 
Это - логичная мысль, иначе не понятно, зачем нужно ТП.  А также вполне соответствует смыслу свойства как свернутого отношения. Но только  симметрия может и не создать условий новой эмерджентности для пары эффектов - нужно еще вводить что-то третье (как минимум). Что бы это могло быть? Икс-среда?

Re: Усовершенствованный функциональный анализ: применение ...

согласен с "... не стал из-за этого копья ломать..."

Я просто обычно избегаю выделения вредных функций каким то особым образом. Это деление на вред/пользу примитивно и чрезмерно условно.Это довольно хорошо видно в приведенном примере, где изначальный "вред" наносится специально для тестирования, которое нужно во избежание воистину большого  вреда.

То есть начальное  описание функций производится как они есть, в одинаковом формате.

Поэтому фраза о предлагаемой симметричности оказалась непонятой (...не "непонятНой")

Re: Усовершенствованный функциональный анализ: применение ...

GIP ==> "эффект - результат, являющийся следствием каких-либо действий. Именно многих, а не одного..."

Чисто логически, не нарушая этого определения - какие-либо действия могут быть, как частный случай и одним - единственным действием.

Мне приходилось составлять функциональные схемы физ-хим-эффектов. Занятие это само по себе  оказалось малоинтересным и не так чтоб полезным. Если эффект хорошо прописан с математической формулировкой, то функциональное описание этого эффекта мало что добавляет.

Вот когда этот эффект "вписан" в конкретную систему в конкретной ситуации/контексте - тогда  стоит его описывать функциональным "языком", равно как и всю рассматриваемую систему.

Re: Усовершенствованный функциональный анализ: применение ...

Изображение пользователя Gregory Frenklach.

inohod wrote:

Я просто обычно избегаю выделения вредных функций каким то особым образом. Это деление на вред/пользу примитивно и чрезмерно условно.Это довольно хорошо видно в приведенном примере, где изначальный "вред" наносится специально для тестирования, которое нужно во избежание воистину большого  вреда.

То есть начальное  описание функций производится как они есть, в одинаковом формате.

Описывать функции, не выражая к ним отношения действительно можно, но отношение (примитивное, конечно:))всё равно появится когда какую-то функцию надо будет создать или усилить, какую-то устранить или ослабить, а для какой-то (которую, например, надо и ослабить и усилить) разрешить противоречие. :)
Тем не менее в качестве уточняющей рекомендации к статье принято.

Re: Усовершенствованный функциональный анализ: применение ...

отлично, я рад.

Но всё же - описывать ситуацию на функциональном "языке" на начальном этапе "вхождения в проблемную ситуацию" предпочитаю безотносительно к пользе/вреду/желательности.

Затем - да, разумеется!= "...всё равно появится..."= надо определить - а что именно усилить или углубить или ослабить и проч. Но это уже стадия переформулировки проблемы. Лучше их, эти стадии, отчётливо разделять. Ну так меня учили...и сам так учу, когда приходится.

Вначале анамнез, потом диагностика, потом дополнительные анализы, потом меры по лечению

Re: Усовершенствованный функциональный анализ: применение ...

Изображение пользователя GIP.

inohod wrote:

GIP ==> "эффект - результат, являющийся следствием каких-либо действий. Именно многих, а не одного..."

Чисто логически, не нарушая этого определения - какие-либо действия могут быть, как частный случай и одним - единственным действием.

Одно действие - это явление (например, светало). Для проникновения в его сущность одним действием не обойтись.  Особенно при системно-надсистемном подходе, где важна структура явленной ситуации.

Quote:
Мне приходилось составлять функциональные схемы физ-хим-эффектов. Занятие это само по себе  оказалось малоинтересным и не так чтоб полезным. Если эффект хорошо прописан с математической формулировкой, то функциональное описание этого эффекта мало что добавляет.
Смотря  с какой позиции описывать. Если это делать для подсистем образной структуры, то начнется "цепное" проникновение в суть рассматриваемой ситуации.

Quote:
Вот когда этот эффект "вписан" в конкретную систему в конкретной ситуации/контексте - тогда  стоит его описывать функциональным "языком", равно как и всю рассматриваемую систему.

Если бы в памяти компа  был массив образных структур с таких позиций, то он вполне мог бы любую рассматриваемую ситуацию представлять в виде совокупности (графических образов) структур  имеющихся графических образов полных и неполных эффектов. Перекомбинирование и дополнение которой - хороший ресурс, на мой взгляд.

Re: Усовершенствованный функциональный анализ: применение ...

GIP wrote:

Quote:
Мне приходилось составлять функциональные схемы физ-хим-эффектов. Занятие это само по себе  оказалось малоинтересным и не так чтоб полезным. Если эффект хорошо прописан с математической формулировкой, то функциональное описание этого эффекта мало что добавляет.
Смотря  с какой позиции описывать. Если это делать для подсистем образной структуры, то начнется "цепное" проникновение в суть рассматриваемой ситуации
Человек ясно указал, что проводил описание физ-хим эффектов. Казалось бы, при чем здесь "светало"?

Re: Усовершенствованный функциональный анализ: применение ...

GIP wrote:
Мой пост содержит три части. Пример "светало" не относится к той, где говорится о физ-хим-эффектах.
Гена, но ты же говоришь именно под физ эффектами об описании образной структуры. Я подумал, что это как раз про "светало". А что ты имел в виду? Какой физэффект описывается образными структурами?

Поляризовало... Индуктивило... :(

 

Re: Усовершенствованный функциональный анализ: применение ...

Изображение пользователя GIP.

Образная структура - это фигура, на которой  показана суть физического эффекта (например).  Может, это субъективно, но пока никак не могу подобрать наиболее подходящее слово... Схема, рисунок, эскиз - все не то... Может, картина?

И вот интересно - сколько функции можно определить у стенки оболочки? :)

Re: Усовершенствованный функциональный анализ: применение ...

GIP wrote:

Образная структура - это фигура, на которой  показана суть физического эффекта (например).  Может, это субъективно, но пока никак не могу подобрать наиболее подходящее слово... Схема, рисунок, эскиз - все не то... Может, картина?

посредник с именем "например"настолько популярен что скоро дойдет до того что вы не сможете объяснить как отличить кошку от собаки без этого посредника :-)
и вместо того чтобы включить разум и мудрость начнете создавать теорию "отличия к от с" и прикладывать к ней методику :-)

Subscribe to Comments for "Усовершенствованный функциональный анализ: применение для анализа технических систем со сложными взаимосвязями"