Техническое противоречие (ТП) - модель описания ИС, в которой выделены желательные и нежелательные последствия конкретного изменения ТС. Большая энциклопедия нефти и газа
В развитии технических систем в соответствии с законами диалектики происходит чередование этапов количественного роста и качественных скачков. В процессе количественного роста в результате неравномерного развития характеристик технической системы появляются противоречия.
Противоречие - проявление несоответствия между разными требованиями, предъявляемыми человеком к системе, и ограничениями, налагаемыми на нее законами природы, социальными, юридическими, и экономическими законами, уровнем развития науки и техники, конкретными условиями применения и тп
Если технический объект создан, то весьма часто ставится задача увеличения его главной полезной функции (ГПФ)Для этого, как правило, требуется усилить какое-либо свойство одного из элементов этого технического объекта. Однако при усилении одних свойств элемента нарушается взаимодействие (согласованность) с другими элементами технической системы, возникает противоречие, то есть источником противоречий является совершенствование, развитие технических объектов.
^ 1)Административное противоречие
Решение любой технической задачи начинается с анализа проблемы. Результатом этого анализа является постановка и формулировка задачи, которую нужно решать.
В проблеме обычно описывается необходимость создания некоторого технического объекта (ТО) для удовлетворения определенной потребности, приводится соответствующая аргументация этой необходимости, описываются функции, которые должен выполнять этот ТО; требования, которые к нему предъявляются.
Если есть потребность в создании продукции с определенными потребительными свойствами, но неизвестно как ее удовлетворить, то возникает проблемная ситуация (ПС).
Описание ПС - это формулирование потребностей, функций, которые нужно выполнитьПроблема заключается в том, что на этом этапе не видно путей, как реализовать выполнение этой функции.
Проблемная ситуация возникает, если нет соответствия между требованиями, предъявляемыми потребителями, и имеющимися техническими возможностями
Г.С. Альтшуллер назвал такие проблемные ситуации административным противоречием
Этому виду противоречий соответствует изобретательская ситуация, включающая в себя целый клубок задач, из которых нужно выбрать именно ту, которую следует решать в первую очередьКаким образом выделить первоочередную задачу среди прочих?
Таким образом, административные противоречия только обозначают проблему и в ряде случаев дают некоторое обоснование ее возникновения.
^ 2)Техническое противоречие
В первоначальной формулировке проблемы формулируются некоторые потребности, функции, которые необходимо выполнить.
Существенно изменить рассматриваемую систему или ее взаимодействие с надсистемой (НС) таким образом, чтобы отпала необходимость в этой потребности, в выполнении этой функции - ПС1; в этом случае формулируется проблема по изменению НС;
Дополнить существующую техническую систему некоторым устройством, которое позволило бы удовлетворить сформулированную потребность - ПС2 (смпример на рис 6.2).
Проблемы могут быть разные.
Стремление улучшить одни характеристики продукции часто приводит к ухудшению других
В проектно-конструкторских и технологических задачах обнаруживается противоречивость многих свойств, например, точность и производительность в технологии обработки материалов; масса, надежность и стоимость; устойчивость и управляемость технических объектов и др.
Например, один из способов увеличения надежности летательных аппаратов (потребность) - создание резервных систем и агрегатовА это приводит к увеличению массы аппарата, что недопустимо, так как увеличиваются затраты на выполнение задания (ГПФ).
Нежелательные эффекты могут быть связаны с тем, что улучшение некоторых потребительных свойств приводит к усложнению ТО и, следовательно, к увеличению факторов расплаты.
Ситуация, когда попытки улучшить одну характеристику (или часть) системы приводит к ухудшению другой ее характеристики (или части), называется техническим противоречием (ТП).
Техническое противоречие появляется часто тогда, когда разработчик пытается каким-либо известным ему способом улучшить один из параметров качества (или функциональное свойство) объекта, но это приводит к недопустимому ухудшению другого, тоже весьма важного параметра качества (или функционального свойства).
^ 3)Физическое противоречие
Как видно из последнего приведенного примера, предлагаемые мероприятия, направленные на повышение производительности токарной обработки, приводят к появлению ряда НЭ.
Проведенный анализ позволяет обнаружить и конкретизировать противоречивость свойств при взаимодействии компонентов рассматриваемой технической системы
Таким образом, для того, чтобы разрешить ТП, формулируются частные задачи, в которых предъявляются несовместимые требования к свойствам отдельных компонентов или взаимодействию между компонентами рассматриваемого объекта.
Совокупность таких требований Ю.ВГорин предложил назвать физическим противоречием (в 1973 г.), подчеркивая, что отношения противоречия перенесены на уровень физических свойств и отношений элементов системы
Г.С. Альтшуллер отмечал: "Стремясь убрать конфликтующие, противоречивые отношения между внешними сторонами технической системы, получим противоречие на уровне внутреннего функционирования системыТакое противоречие, в отличие от технического, называется физическим противоречием (ФП).
Сформулированные в примере 6.7 ФП позволяют наметить минизадачи и, тем самым, определить область поиска возможных решений (табл6.2).
6.4Эвристическая ценность противоречий
В физических противоречиях требования, которые предъявляются к объекту, могут являться следствием различных целей, которые ставит перед собой инженерЭти разные цели и приводят к необходимости реализации в техническом объекте несовместимых свойств (Р и анти-Р).
Кроме того, физические противоречия могут быть связаны с тем, что требуемое свойство не представляется возможным реализовать, так как этому мешает проявление объективных законов природы. То есть научное основание наблюдаемого явления (которое является нежелательным) не согласуется с требованиями, которые предъявляются к рассматриваемому объекту.
Разделить противоречащие свойства в пространстве
Практическая реализация этого приема заключается в том, чтобы разнести в пространстве противоречащие свойства, которыми должен обладать рассматриваемый объект.
Формулирование ФП раскрывает еще два важных аспекта решаемой задачиЭта модель дает возможность выявить оперативную зону и оперативное время.
Оперативная зона (ОЗ) - это пространство, в пределах которого возникает конфликт.
Оперативное время (ОВ) - это момент времени, когда конфликт возникает, а также время до появления конфликта, когда в ТО происходят процессы, подготавливающие этот конфликт.
Определение оперативной зоны и оперативного времени позволяет конкретизировать поставленную задачу.
^ Таким образом, административные (АП), технические (ТП) и физические (ФП) противоречия - это модели задач.
Из приведенных примеров видно, что:
Административные и технические противоречия носят содержательный характер, а по форме они представляют собой описание проблемной ситуации.
Административные противоречия только формулируют проблему в терминах: цель, потребность, функция, нежелательные эффекты.
В ТП противоречие связано с функционированием ТО в целом при выполнении им главной полезной функции (ГПФ)В нем определяется изменяемый параметр, который существенным образом влияет на функциональные свойства технического объектаФормулировка ТП позволяет обозначить направления решения проблемы.
В ФП, как правило, речь идет о компонентах ТО и их взаимодействиях.
В отличие от АП и ТП в физическом противоречии формулируются требования, приводящие к несовместимым свойствам, которыми должен обладать объектРаскрывая суть конфликта, формулировка ФП обладает эвристической ценностью и позволяет наметить приемы поиска решения задачи.
Виды технических противоречий при проектировании. Технические противоречия, решаемые при проектировании роботов и РТС.
Решаемые противоречия:
Административные (нужно что-то сделать, как – неизвестно.) - лишь констатируют сам факт сложившейся ситуации. Они присутствуют вместе с ситуацией, но не способствуют решению.
Технические – отражают конфликт между частями или свойствами системы. Это может быть межранговый конфликт: системы с надсистемой или с подсистемой. Типовые технические противоречия: вес-прочность, точность-стоимость и т.д. (если известными способами улучшить одну часть (или один параметр) технической системы, недопустимо ухудшится другая часть (или другой параметр)). Если присутствуют типовые противоречия, то и присутствуют их типовые решения.
Физические противоречия - возникает между параметрами технической системы в каком-либо одном элементе или даже его части. Сформировать пример ФП можно следующим образом: объект должен обладать свойством «А», чтобы выполнять функцию - например, крыло самолета должно быть большим, чтобы поднять самолет, и свойством «не А», чтобы удовлетворять условиям задачи – крыло должно быть маленьким, чтобы уменьшить лобовое сопротивление.
Развитие РТС идет в сторону увеличения управляемости (вепольности)
Невепольная система превращается в полную вепольную
Простые веполи переходят в сложные
Увеличивается количество управляемых связей
Мобилизация вещественно – полевых ресурсов
В веполи вводятся в-ва и поля, позволяющие без существенного усложнения реализовать новые физические эффекты
Развитие идет в сторону увеличения степени дробления рабочих органов.
Закон перехода
Если эффективность функционирования взаимодействующей системы невозможно повысить путем усиления или форсирования, то это можно сделать путем объединения системы с одной или несколькими другими системами, как однородными, так и разнородными по структуре.
Закон перехода в надсистему формулируется следующим образом: исчерпав ресурсы развития, система объединяется с другой системой, образуя новую, более сложную систему. Механизм такого перехода состоит в объединении двух исходных систем, при этом получают бисистему, или нескольких систем с получением полисистемы. Переход "моно-би-поли" - неизбежный этап в развитии всех технических систем. Дальнейшее развитие би- и полисистем происходит в двух направлениях:
1. Эффективность новых систем может быть повышена увеличением различия между элементами системы. Движение идет от однородных элементов (пачка одинаковых карандашей) к элементам со сдвинутыми характеристиками (набор цветных карандашей), к альтернативным элементам (карандаш и авторучка); к разнородным элементам (карандаш с циркулем), а затем - к инверсным (карандаш с резинкой).
2. Эффективность новых систем повышается развитием связей между элементами. Связь элементов изменяется от "нулевой", т.е. без вещественных связей между элементами, до усиленных межэлементарных (жестких) связей.
Кроме того, при объединении систем может происходить дальнейшее их развитие по линии упрощения. В результате возможны следующие варианты:
1. Система из практически самостоятельных, несвязанных элементов, не изменяющихся при объединении.
2. Система частично изменяемых, согласованных между собой элементов, которые функционируют только вместе и только для в данной системе. Например, отдельные радиоэлементы в микросхеме. Такая система получила полностью свернутой системы.
3. Полностью свернутую систему можно представить как новую моносистему. Ее дальнейшее развитие связано с движение по новому витку спирали. Иногда в качестве новой моноститемы может выступать частично свернутая система.
Обобщенные величины и параметры цепей различной физической при-роды. Цепи физической природы, применяемые в роботах.
Обобщенные величины – характеризуют процессы, протекающие в системе (механические, тепловые, и т.д.), и являются переменными, находятся с помощью критериев.
Любой процесс является следствием и имеет причину. Причина – сила, воздействие, реакция.
Параметры
| R | C | L | G | W | D |
| R | C/p | pL | G | Wp | D/p |
Величины
U – воздействие, I – реакция, Q – интеграл от реакции, P – интеграл от воздействия, t – время.
Критерии:
Энергетическое соотношение UI = P
Соотношение интенсивности I = dQ/dt
Соотношения статики U=IR
Соотношения динамики I = d(Uc)/dt; U=dL/dt
^ Законы развития робототехнических систем. Понятие об инверсных бисистемах. Инверсные бисистемы роботов и РТС.
Размеры и возможности современных мини- и микророботов расширяются с удивительной быстротой. К сожалению, разработчики нормативно-методических документов не успевают подготовить своевременные требования и рекомендации. Научно-технический прогресс в робототехнике развивается очень быстрыми темпами.
10. Системы подготовки и управления производством роботов.
1)Более тщательная проработка типовых циклограмм, связанная с выполнением тех процессов.
2)Разработка компоновочных схем, разработка архитектуры, расчет приводов, разработка СПУ.
3)Многократные проверочные расчеты, моделирование.
4)Разработка конструкции.
5)Выбор комплектующих изделий
6)Разработка кинематики, законов движения, высокая точность позиционирования в тяжелых условиях.
7)расчет динамики.
8)Оценка прочности, жесткости конструкции пром. роботов
9)проработка программного обеспечения.
10)Разработка методик контроля тех. хар-к и ускоренных испытаний
11)экспериментальная проверка новых технических решений.
12)оценка изделия на технологичность, метрологичность по показателям стандартизации и унификации.
коэффиц. стандартизации.
13)эстетическая и эргономическая проработка
14)расчеты подтверждающие долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость, живучесть.
15)Установка и транспортировка.
16)проверка принятых решений на патентную чистоту и конкурентоспособность.
17)графические мат-лы: чертежи общего вида, СБ, спецификация, деталировка.
18)расчет экономическогоэффекта.
11.
Развитие автономных роботов и робототехнических комплексов (РТК) невозможно без развития адаптивных систем управления. Развитие систем управления идет по пути совершенствования их гибкости и обеспечения высокой степени автономности. Как показано на рисунок 1.1, в достижении этих целей можно наметить два разных пути. Считается, что современный роботы является абсолютно автономным, т.к. будучи изначально запрограммированным, он не требует дальнейшего вмешательства в его работу. Из-за ограниченных возможностей чувствительных органов робототехнические системы обладают недостаточной гибкостью в приспособлении к изменению условий эксплуатации. Это, в свою очередь, стимулирует разработку устройств технического зрения. Системы управления обладают достаточной приспосабливаемостью, но лишь при участии человека-оператора. Совершенствование робототехнических систем идет за счет оснащения их чувствительными элементами обратной связи с улучшенными характеристиками. Исследовательские работы в области искусственного интеллекта, датчиков, компьютерного зрения, программирования комплексов компьютеризированного проектирования и производства должны сделать эти системы более универсальными и экономичными. Чтобы уменьшить нагрузку на человека-оператора и повысить эффективность его работы, ведутся интенсивные исследования в области супервизорного управления, человеко-машинного интерфейса и управления компьютерными базами данных. Многие исследования одинаково полезны для совершенствования как роботов, так и систем управления; их цель состоит в снижении затрат на изготовление и расширении области применения. Они связаны также с улучшением методов передачи информации и дальнейшим развитием языков программирования.
Рисунок 1.1– Перспективы совершенствования роботов и
интеллектуальных систем
Как видно из рисунока 1.1 дальнейшее развитие автоматизации будет осуществляться по двум путям: улучшение роботов и улучшение цифровых систем управления, направленных на увеличение автономности и гибкости систем управления.
Для создания оптимальной системы управления, выбора необходимых датчиком и приводов и самого робота необходимо учитывать среду, в которой робот будет функционировать. По среде обитания роботов классифицируют на 5 групп:
наземные,
водные,
воздушные,
космические,
уникальные.
колесные,
гусеничные,
гибридные,
шагающие,
прыгающие.
надводные,
подводные,
аэродинамика,
аэростатика.
Метод обобщенных приемов применительно к проектированию роботов и РТС и их элементов.
1.1 Определение класса по МПК.
1.2 Подбор аналогов
1.3Изучение конструкции и принципа действия наиболее раннего аналога.
1.5Изучение принципа действия конструкции послужившей прототипом для аналога.
Если нет возможности посмотреть конструкции прототипа, то можно восстановить по формуле аналога.
1.6Составление ПСС(параметрических структурных схем) прототипа. При этом необходимо детально рассматривать только те узлы, которые подверглись совершенствованию.
Необходимо выделить отличия она ПСС.
1.7Составление уравнений (модели) улучшаемой хар-ки. Уравнение составляется для аналога и прототипа.
Записать модель с помощью выделенной модели ПСС.
Цель 1 этапа - Получить модель улучшаемой характеристики по сравнению с прототипом.
2 этап : Предварительная формулировка обобщенного приема.
Выполняется анализ отличительной части ПСС.
Используется для формулировки обобщенных приемов описание отличительной части ПСС.
Структурная схема может быть реализована несколькими конструктивными вариантами. Разные конструкции могут иметь одну и ту же структурную схему.Может быть прототип и аналог имеют одну и ту структурную схему тогда метод ОП не применим.
Степень обобщения должна быть мин. Чтобы конструкция анализируемого аналога была бы частным случаем этого обобщения.
3этап. Изучение принципа действия и конструкции 2-ого аналога
3.1Псс 2-ого аналога аналогично в 1 этапе.
^ 4этап. Предварительная формулировка 2-ого обобщенного приема для 2-ого аналога.аналогично 2-ому этапу.
5этап . Осуществление попытки обобщенного приема выявленного в результате анализа 1-ого аналога для совершенствования 2 аналога.
В результате может быть получены ряд новых СС прототипом которых являются либо 1-ый, либо 2-ой аналог.
По ПСС разрабатывается конструктивная реализация
Уточнение или закрепление формулировки 1-ого обобщенного приема.
Новая конструкция.
6этап. Уточнение или закреплениеформулировки 2-ого обощенногоприемапри попыткеего применения для улучшения 2-ого аналога.
Перекрестное применение 1-ог обобщенного приема для улучшения 2-ого аналога и наоборот.
В рез-те: 1) уточнение или закрепление формулировки 2-ого обобщенного приема
2)получение новой 2-ой конструкции.
7этап. Выполнение последовательности операций по предыдущим 5 операциям для 3-ого,4-ого, и т.д. аналогов.
Если n-аналогов то n(n-1) новых конструкций.
8этап. Систематизация обобщенных приемов по теме:
По назначению
По применению
По цели
По элементам конструкции
Одной из центральных проблем роботизации является проблема взаимодействия человека и робота, проблема правильного распределения функций между ними. Человек - творец роботов - неизбежно испытывает на себе многостороннее влияние процесса роботизации физического и умственного труда.
Вопрос о том, какие функции из числа тех, которые должна выполнять система «человек - робот», доверить роботу, а какие оставить человеку, возникает главным образом на этапе анализа и проектирования таких систем. Этот вопрос имеет свою историю. Робототехнику будущего можно представить себе как гармоничное сочетание программных, очувствленных и интеллектуальных роботов, обеспечивающих все более полное удовлетворение потребностей общества. Однако прогнозировать развитие роботов и искусственного интеллекта на длительный период с достаточной точностью пока не представляется возможным. В данном случае мы ограничимся прогнозом на период, который реально обозрим, т. е. в его пределах могут быть практически реализованы те достижения науки и техники, принципиальная осуществимость и экономическая целесообразность которых уже сегодня не вызывает сомнений.
Растущие потребности практики ставят перед робототехникой две основные задачи - дальфнейшее повышение производительности роботов и упрощение их эксплуатации. Решение этих задач связано главным образом со значительным увеличением степени очувствленности и интеллектуальности роботов. Естественно ожидать, что именно в этом направлении будет развиваться робототехника.
Интересен прогноз относительно ожидаемых темпов развертывания работ в области создания и применения роботов различных поколений, опубликованный в 1974 г. в статье «Рынок роботов в США» в международном журнале «Промышленные роботы». В этой статье приводятся выдержки из обширного прогноза, подготовленного фирмой «Кайберфактс» («Кибернетические факты»). Согласно этим данным только в США общая стоимость производства наиболее совершенных программных роботов, а также первых образцов очувствленных роботов составит в 1977 году 33 млн. долларов, а в 1985 году достигнет уже 370 млн. долларов. Что же касается усовершенствованных образцов очувствленных роботов, то стоимость их производства в 1980 году составит 80 млн. долларов, а в 1985 году достигнет 730 млн. долларов. Эти колоссальные цифры, относящиеся только к США, говорят сами за себя.
Каковы же научно-технические предпосылки такого интенсивного ожидаемого развития главным образом роботов второго и третьего поколений?
Прежде всего заметим, что будущее роботов в огромной степени зависит от прогресса в области развития ЭВМ. В самом деле, производительность и универсальность роботов определяются, в основном, программным обеспечением управляющей ЭВМ, быстродействием ее элементов, а также организацией их соединения и взаимодействия или, как теперь принято говорить, архитектурой управляющей ЭВМ.
В будущем управляющие системы роботов второго и третьего поколений будут создаваться на базе параллельно работающих проблемно-ориентированных процессоров, специализированных на решение отдельных классов задач. Эти процессоры могут с помощью метапрограмм надпроблемного типа использоваться для решения интеллектуальных задач. При этом степень специализации процессоров, а также структура метапрограмм должны определяться назначением робота и его функциональными возможностями.
Особенно велики возможности и перспективы распараллеливания процессоров, предназначенных для распознавания зрительных, звуковых и тактильных образов. К числу таких процессоров относятся перцептроны с многослойной структурой, а также однородные среды (сети) нейроподобных элементов.
Возможно появление процессоров, специализирующихся на процессах дедуктивного (логического) вывода (задачи планирования поведения робота и логического анализа ситуаций, вопросно-ответные системы и т. п.). Первые шаги в этом направлении - специализация процессоров на вычислительных, а в последнее время и на некоторых интеллектуальных задачах - уже сделаны.
Наряду с совершенствованием управляющих ЭВМ и их программного обеспечения важное значение для развития робототехники имеет прогресс в области создания искусственных органов чувств и исполнительных систем. В соответствующих разделах книги мы уже отмечали актуальность создания топографического зрения, средств осязания и обоняния, «мускульных» двигателей и т. п. для роботов будущего.
Мы рассмотрели некоторые ближайшие перспективы развития роботов, в которых роль мозга играют специальные управляющие ЭВМ. Однако в отдаленном будущем можно представить себе роботов, реализованных не на электронной, а, скажем, на нейронно-волоконной основе. Сегодня в нервных и мышечных волокнах скрыто еще много секретов, открытие которых позволит создать искусственные волокна с аналогичными свойствами. Например, хорошо известно, что по нервным волокнам, представляющим собой диэлектрики, может свободно распространяться электрический сигнал. Мы знаем, что это, несомненно, имеет место в нервных волокнах, но механизм этого интересного явления пока еще совсем не понят, и воспроизводить его мы не умеем. Когда же эта задача будет решена, то станет возможным создавать логические вычислительные и запоминающие элементы не на электронной, а на биологической основе.
Дальнейший прогресс в области робототехники в значительной степени зависит от понимания того, каким образом мозг «вычисляет» мысли, наши движения «следуют» нашей воле, а генетическая программа «рассчитывает» организм. Ответы на эти вопросы откроют совершенно невиданные перспективы перед робототехникой будущего.
25.Разработка технических требований к проектируемым роботам и РТС. Развитие робототехнических систем в направлении увеличения степени дробления рабочих органов роботов (на примере специализированных роботов).
Типичным является переход от рабочих органов на макроуровне к рабочим органам на микроуровне. Так же можно отметить использование нанотехнологий (нанороботы).
26.Примеры технических задач, решаемых с помощью эффекта "многоступенчатости". Системы с нулевыми связями, частично и полностью "свернутые системы".
Объединение однородных систем
Пример - катамаран объединив два одинаковых корпуса, получили корабль, у которого остойчивость - как у ширококорпусного, а лобовое сопротивление - как у узкокорпусного.
Объединение систем со сдвинутыми характеристиками
Пример: стереопара. Объединение двух плоских изображанеий, отличающихся по углу съемки и цвету, дает новое качество - объемное изображение.
Объединение альтернативных систем
Пример: гвоздь и шуруп. Альтернативное противоречие: гвоздь легко забивать, но он плохо держит, а шуруп держит значительно лучше, но его сложно закручивать. Объединением этих систем является спиральный гвоздь. Его забивают как обычно, но благодаря нарезке он при этом проворачиватся и нарезает канавки, в которых держится почти также хорошо, как шуруп.
^ ТС с "нулевой связью" – система с нулевой связью образуется из неизменившихся в процессе объединения исходных систем, действующих независимо друг от друга. Обычно это родственные системы, просто собранные вместе, чтобы было удобнее ими пользоваться. Пример - аптечка первой помощи
^ Частично свернутые ТС – частично свернутая система образуется из исходных систем, у которых парные однородные элементы свернуты с передачей полезных функций одному из них. Дополнительный выигрыш от объединения систем получается от того, что при этом можно избавится от элементов исходных систем, дублирующих друг друга. В новой системе обычно можно оставить только один из них. Пример - обычный молоток и гвоздодер. Они объединились, но при этом рукоятка гвоздодера, как элемент, дублирующий рукоятку молотка, была свернута, и от гвоздодера в новой системе осталась только вилка
^ Полностью свернутые ТС – полностью свернутая система образуется из исходных систем, все элементы одной из которых свернуты с передачей их полезных функций элементам второй.
27.Принципы проектирования роботов и РТС.
Принципы – это наиболее общие закономерности. При проектировании РТС выделяют следующие принципы.
1. Принцип проектирования по прототипам.
В этом случае объём новизны разработки в отношении прототипа должен составлять 5-10%. Разработки бывают 1. революционные 2. эволюционные.
Прототип – наиболее близкое техническое решение к проекту, причем степень близости критерием существенных признаков (это элементы конструкции и их взаимосвязи).
Аналог – технические решения близкие к проекту по каким-либо отдельным группам существенных признаков.
2. Разработка конструкции смещается в сторону более ранних стадий проектирования, что позволяет получить более ранний достоверный результат с помощью моделирования.
3. При разработке повышается роль и значимость количественных оценок, приведенных в техническом задании.
4. Проектировщик должен учитывать достижения полученные в смежных областях.
5. Многофункциональность и живучесть. Разработка техники ведется с целью повышения надежности и долговечности, а так же увеличения функциональных возможностей.
28.Разработка технических требований к проектируемым роботам и РТС. Законы развития робототехнических систем. Закон перехода в надсистему различных подсистем роботов и РТС.
Технические требования можно разбить на три группы.
Эксплуатационные характеристики. К ним относятся такие характеристики как ремонтопригодность, надежность по различным параметрам, быстродействие работы и т.д.
Технологические характеристики. К ним относятся например массогабаритные показатели системы.
Метрологические характеристики. Это могут быть расчет относительной погрешности, приведенной погрешности, точность работы системы и т.д.
Законы развития РТС. 1. Развитие РТС идет в направление увеличения управляемости (увеличения вепольности).
– Невепольная (неполновепольная) система переходит в полно вепольную.
– Простые переходят в сложные.
– Увеличение кол-ва управляемых связей.
– Мобилизация вещественнополевых ресурсов.
– Вводятся вещества и поля, которые позволяют без существенного усложнения системы реализовать новые физич. эффекты, расширить функциональные фозможности системы.
2. Развитие РТС идет в направление увеличения степени дробления рабочих органов.
3.Закон повышение идеальности. Идеальность повышается в «операторной зоны», а за ее пределами может и ухудшиться. Грамоздкое и тяжелое оборудование вытесняется за пределы «операторной зоны». Происходит не просто механическое вытеснение но и упрощение.
4. Закон перехода в надсистему.
Исчерпав ресурсы развития следующим этапом существования системы может быть объединение с другой системой, в результате чего образуется новая более сложная система, обладающая новыми свойствами. Исходная моносистема сдваиваясь преобразуется в бисистему или полисистему. При сдваивании возникает внутренняя среда или условия для ее возникновения, так же появляется эффект свертывания.
29.Разработка технического задания на проектирование роботов и РТС на основе анализа предметной области и общих технических требований к рассматриваемому технологическому процессу и оборудованию.
Чтобы разработать техническое задание необходимо сначала определить тему проекта. После этого нужно исследовать и проанализировать область применения системы, т.е. определить для чего может использоваться рассматриваемая система, в каких условиях система будет эксплуатироваться. На основе этого составляются общие технические требования. Далее проводятся патентные исследования по теме проекта заключающиеся в определение основного и смежного класса МПК, составление списка патентов по теме проекта, анализе динамики патентования. Из полученного списка патентов на основе раннее составленных общих технических требований выбираются аналоги. Далее проводится анализ и критика аналогов, то есть определяются их недостатки. В результате анализа недостатков разрабатывается ТЗ.
30.Алгоритм разработки динамических математических моделей устройств и агрегатов роботов по энерго-инфомационному методу.
Основы энерго-инфомационного метода по составлению ММ берутся из:
законов термодинамики и мехпники
теории электрических и магнитных цепей
структурные методы ТАУ
Обобщенные величины – они характеризуют процессы протекающие в системе (мех, элек, тепл, магн).ОВ являются переменными, т.е. зависят от времени.
Обобщенные параметры – с помощью них описываются свойства системы кА физического устройства. В описание входят физич константы и геометр размеры. ОП являются неизменными для данной системы при отсутствии внешнего воздействия.
Алгоритм разработки ММ:
^ Обобщенные величины - характеризуют процессы протекающие в системе (механической, тепловой и тд.). являются переменными и находятся с помощью критериев.
Любой процесс является следствием и имеет причину.
Причина-сила, возмущение, следствие, реакция.
^ Обобщенные параметры - с помощью них описывается свойства системы как физического устройства. В описание входят: физические константы и геометрические размеры рассматриваемой системы. Параметры являются неизменными для данной системы при отсутствии воздействий систем другой физической природы.
Критерии :
критерий энергетического соотношения UI=P
соотношение интенсивности I=dQ/dt реакция является производной от заряда
Соотношение статики U=IR, R определяет нагрев
Соотношение динамики I=dUC/dt=C(du/dt), C константа
2-е Соотношение динамики U=dIL/dt=L(dI/dt), L константа
| цепь | Обобщенные величины | Обобщенные параметры |
||||
| U | I | Q | R | C | L |
|
| Мех | Um=F | I=V | Q=X | R=KтрPтрS | С=l/E*S | L=m |
| Индукт | U=Iэ*ω- | I=dФ/dt | Q=Ф | R=(Sэ/ρэlэ) -Gэ | C=μ(S/l) | L=ε(S/l) |
| Тепловая | U=T2-T1 | I=dS/dt | Q=Q/Tср | R=Tсрl/λS | C=cSl ε/Tср | |
| Гидрав/ пнев | U=P | I=Q | ||||
Целью обследования объекта является совместная разработка технических требований к проекту. На основе этой информации предлагается будущее решение, для новых решений создается концепция. После обсуждения с Заказчиком предлагаемой концепции, выполняется ориентировочная оценка планируемых сроков его реализации и необходимого бюджета.
^ 4 группы технических требований:
1) метрологические характеристики
2) эксплуатационные характеристики
3) технологические характеристики
4) экономические характеристики
^ Законы развития робототехнических систем
1)Развитие ТС идет в направление увеличения управляемости(увеличении вепольности): 1. невепольная (неполная вепольная) превращается в полную вепольную; 2. простые веполи переходят в сложные; 3. увеличения количества управляемых связей; 4. Мобилизация вещественно-полевых ресурсов (ВПР) за счет более полного использования имеющихся и применение «даровых» вещественных полей; 5. В веполи вводятся вещества и поля, которые позволяют без существенного усложнения реализовывать новые физические явления, расширить функциональные возможности.
2) Развитие ТС идет в направление увеличения степени дробления(дисперсности) рабочих органов.
Типичен переход РО на макроуровне к РО на микроуровне.
3)Закон увеличения степени идеальности системы
Техническая система в своём развитии приближается к идеальности. Достигнув идеала, система должна исчезнуть, а её функция продолжать выполняться.
Основные пути приближения к идеалу:
Повышение количества выполняемых функций,
-«свертывание» в рабочий орган,
Переход в надсистему.
При приближении к идеалу техническая система вначале борется с силами природы, затем приспосабливается к ним и, наконец, использует их для своих целей.Закон увеличения идеальности наиболее эффективно применяется к тому элементу, который непосредственно расположен в зоне возникновения конфликта или сам порождает нежелательные явления. При этом повышение степени идеальности, как правило, осуществляется применением незадействованных ранее ресурсов (веществ, полей), имеющихся в зоне возникновения задачи. Чем дальше от зоны возникновения конфликта будут взяты ресурсы, тем в меньшей степени удастся продвинуться к идеалу.
4) Закон переход над систему.
Исчерпав ресурсы развития система объединяется с другой системой, образуя новую более сложную. Исходная моносистема сдваивается, преобразовывается в бисистему (или полисистему). Главные особенности полиситем:1. возникает внутренняя среда(или условия для ее возгикновения);2. в би- и полисистемах может быть получен эффект многоступенчатости.3. эффект свертывания;4. эффект сдваивания на основе не родственных систем.
Общая схема развития ТС
По спирали
| № | Стадия | Содержание работ |
| 1 | Техническое предложение | Подбор материалов, которая оформляется как КД. Технико-экономические обоснования целесообразности разработки, которое выполняется на основание тех.задания, утверждаемого заказчиком. Сравнительные оценки известных технических решений, на основе патентных исследований. Документация маркируется литерой "П". |
| 2 | Эскизный проект | ЭП – конструкторская документация. ГОСТ 2.119-73 . Эта документация дает принципиальные конструкторские решения выполняемой разработки, дающее общее представления об устройстве, принципе работы, а также данные, определяющие назначения, принцип работы разработки. Документации присваивается литера «Э». В отличии от ТП отдельные узлы и блоки маркированы. ЭП утверждается, согласуется и является основанием для ТП. |
| 3 | Технический проект | Объем работы в ГОСТ 2.120-73. Это конструкторская документация, которая должна содержать окончательное техническое решение, дающее полное представление разработки. Документации присваивается литера «Т». Документация утверждается и согласовывается. ТП является основанием для РКД. |
| 4 | Рабочая КД | Для изготовления и испытания опытного образца. После изготовления опытного образца производится:
Возможно изготовление установочной серии. Оснащение технического процесса. |
40. Применение методов: "Ликвидация тупиковых ситуаций", "Поиск новых взаимосвязей", "Правила преобразований" при проектировании роботов, РТС и их элементов.
Цель:
найти новое направление поиска, если очевидная область поиска не дала решения.
Способы:
1. Правило преобразований, которому можно подвергнуть неудовлетворительное решение.
2. Поиск новых взаимосвязей между частями, имеющими неудовлетворительное решение.
3. Переоценка проектных ситуаций.
Правило преобразований
Преобразования:
использовать по другому назначению
усилить/ослабить связи
приспособить/заменить/перекомпановать
Испариться: исчезнуть, скрыться, улетучиться, выветриться, рассосаться.
Скрыться – перфорированный настил
Улетучиться – отсасывание
Рассосаться – пористое покрытие.
^
Поиск новых взаимосвязей
Метод принудительных отношений. По этому методу осуществляется поиск ассоциаций путем попарного сопоставления проектируемых устройств.
Пример: улучшение телефона.
Функциональные элементы: трубка, наборный диск, микрофон, наушники.
Анализируются различные варианты сочетания всех этих элементов, перемена их местами, перемена их размеров.
Данный метод эффективен при разработке дизайна.
^
41. Основные этапы проектирования робототехнической системы. Виды проектной документации.
Этапы:
1. подбор описаний изобретений из заданного класса по теме проекта
1.1 определение класса по МПК
1.3 изучение конструкции и принципа действия первого, наиболее раннего аналога
1.4 составление параметрической структурной схемы (ПСС) этой физической модели
1.5 изучения принципа действия конструкции, послужившей прототипом (если нет оригинала патента, то надо изучить принцип действия по формуле изобретения аналога)
1.6 составление ПСС прототипа (детально рассмотреть только те узлы, которые подверглись совершенствованию). Выделить участок на ПСС, который изменился
1.7 составление уравнений (модели) улучшаемой характеристики. Уравнение составляется для аналога и для прототипа.
2. предварительная формулировка обобщенного приема. Выполняется анализ отличительной части ПСС
3. изучение принципа действия и конструкцию второго аналога (аналогично этапу №1)
4. предварительная формулировка второго обобщенного приема для второго аналога (аналогично этапу №2)
5. осуществление попытки реализации обобщенного приема, выявленного в результате анализа первого аналога для совершенствования второго аналога.
5.1 Составляется ряд новых ПСС, прототипом которых является либо первый, либо второй аналог.
5.2 По ПСС разрабатывается вариант конструктивной реализации, из чего следует: 1) уточнение/закрепление формулировки первого обобщенного приема; 2) получение конструкции
6. уточнение/закрепление формулировки первого обобщенного приема при попытке его применения для улучшения второго аналога (перекрестное применение).
6.1, 6.2 так же как 5.1, 5.2
7. выполнение последовательности операций предыдущих 5 этапов относительно 3,4, … аналогов. Если имеем n аналогов, то n (n -1) новых конструкций
8. систематизация обобщенных приемов
43.Синектика
В условиях применения метода синектики следует избегать преждевременной четкой формулировки проблемы (творческой задачи), так как это нейтрализует дальнейший поиск решения. Обсуждение целесообразно начинать не с самой задачи (проблемы), а с анализа некоторых общих признаков, которые как бы вводят в ситуацию постановки проблемы, неоднократно уточняя ее смысл.
Не следует останавливаться при выдвижении идеи, если даже кажется, что уже найдена оригинальная идея и что задача уже решена. Если проблема (творческая задача) не решается, то целесообразно вновь вернуться к анализу ситуации, порождающей проблему, или раздробить проблему на подпроблемы.
В процессе применения метода синектики большое внимание уделяется использованию метода аналогий. Аналогия используется в самых различных видах: как личная (эмпатия), прямая, фантастическая и символическая. Символическая аналогия, например, приняла форму конкретного приема определенного поиска названия, характеризующего в парадоксальной форме определенное понятие.
Синектика (3.11). Наиболее эффективная из созданных за рубежом методик психологической активизации творчества - синектика (предложена В. Дж. Гордоном), которая является развитием и усовершенствованием метода мозгового штурма
.При синектическом штурме допустима критика, которая позволяет развивать и видоизменять высказанные идеи. Этот штурм ведет постоянная группа. Её члены постепенно привыкают к совместной работе, перестают бояться критики, не обижаются, когда кто-то отвергает их предложения.
44. ^
45^
. Принципы проектирования робото
в
.
1 принип пр. по прототипу 5- 10 проц новизны.прототип наиболее близкий техн реш. Степень близости определяется критериями сущ. Признаков. Аналог- техн решение которое по неск группам признаков близка к проекту.
2. отработка онструкций смещается в сторону более ранних стадий проектирования.
Более ранний результато полезности изобретения позволяет достигнуть этот принцип.
3 повышение роли в значимости количественных оценок.
4 . разработка должна использовать положительны свойцства смежных областей.
5. многофункциональность живучесть разраб. С целью повышения надежости и долговечности.
46. ^
Переоценка проектной ситуации
. Поставленный в тупик проектировщик пишет предложение, характеризующее его затруднение и для каждого слова ищет его синоним.
Например: при обработке вызывают несовпадение двух поверхностей.Допустим при обработке заменяют на неровности сварного шва. Несовмещение заменяют на зазор 2 поверхности на две плоскости и поверхность на плосость
47. ^ Эвристические методы решения творческих задач - это система принципов и правил, которые задают наиболее вероятностные стратегии и тактики деятельности решающего, стимулирующие его интуитивное мышление в процессе решения, генерирование новых идей и на этой основе существенно повышающие эффективность решения определенного класса творческих задач. Правила решения творческих задач также часто называют эвристическими правилами, а отдельно взятое правило, прием решения творческой задачи часто называют эвристикой. о продуктивности эвристик и эвристических правил в решении творческих задач хорошо знают изобретатели и рационализаторы. Однако и они часто их используют стихийно. А это чрезвычайно затрудняет их практическое применение. Поэтому обучение решению творческих задач и в школьной, и в вузовской практике в основном осуществлялось методом проб и ошибок, то есть далеко не лучшим образом. Правда, как в отечественной практике в работах Г. С. Альтшуллера, Г. Я. Буша, так и в зарубежной практике имеются серьезные попытки описать эти методические рекомендации в применении к изобретателям, например, метод "мозгового штурма", метод синектики и др. Но эти методические рекомендации, если их сформулировать в виде правил, могут найти самое широкое применение и в деятельности менеджера – современного руководителя.
48. Агрегатно-модульный промышленный робот -робот, в котором используют
исполнительные модули. составные части промышленных роботов,автооператоров:
Исполнительное устройство -устройство, выполняющее все его дви-
Гательные функции. Исполнительный модуль промышленного робота - агрегат, входящий в унифицированный набор, или образуемый из деталей и узлов этого набора, способный самостоятельно выполнять функцию реализации движений по од- ной или нескольким степеням подвижности промышленного робота.
^ 49 Упорядочный поиск
Цель: решать задачу проектирования логической достоверностью
Выявить компоненты задачи
переменные которые проектировщик может распоряжатся по своему усмотрению(это факторы решения или параметры пр-я)
переменные, которые зависят от воли проектировщика (факторы окр среды) или независимых переменных
Пер-е которые должны определяться проектом(цели и зависимые переменные)
Назначить целям веса в соответствии с их отл-ой важностью
Выявить зависимости м/д переменными
Прогнозировать вероятные значения факторов окр. Среды
Выявить ограничения или граничные условия, т.е. предельные значения всех переменных.
Присвоить числовые значения каждому из факторов решения(проверить ряд вариантов реш-я проекта). Вычислить значения зависимых переменных (рассчитать получаемые при этом технические хар-ки)
Выбрать такие значения факторов решений при которых достигается макс. Сумма числовых значений для всех целей с учетом их весов (т.е выбор оптимального варианта проекта по крайней мере достигается приемлемое значения для каждой из целей)
50
52
Основные требования ГОСТов ЕСКД к оформлению текстовой доку ментации. Особенности документации на проекты роботов и РТС.
Стадия проектирования Технический проект". Особенности этой стадии при проектировании роботов и РТС.
3. Тех. Проект, 4. Разработка Конструкторской Документации.
Технический проект – это совокупность тех. документации которая должна содержать окончательное тех. решение дающее полное представление об проектируемом устройстве. Тех. Проект представляет собой основу, исходный материал для разработки конструкторской документации. Так же в ТПроекте предусматривается разработка и испытание макетов.
При проектирование роботов и РТС должны учитываться:
Большое внимание уделяется разработке компановачных схем и архитектуре ПР и РТС.
Многократные проверочные расчеты и моделирование.
разработка конструкции
выбор комплектующих
разработка кинематических схем обеспечивающих высокую точность позиционирования
расчет динамики ПР (+расчет по ТАУ)
оценка жесткости/прочности основных узлов и элементов ПР
проработка ПО
разработка методик контроля технических характеристик и ускоренных испытаний
экспериментальная проверка новых техн. решений (макеты, ПО)
оценка изделия на технологичность и метрологичность по показателям стандартизации и унификации.
эрганомическая и эстетическая проработка.
расчеты подтверждающие долговечность, ремонтопригодность, сопротивляемость, живучесть.
разработка сборочных чертежей, спецификаций, деталировок
проверка изделия на патентную чистоту и конкурентоспособность.
расчет ожидаемого годового дохода, окупаемость.
Алгоритм разработки динамических математических моделей устройств и агрегатов роботов по энерго-инфомационному методу.
обобщенные величины – величины которые описывают процесс. Представляют собой ф-цию времени, хар-ет изменения которые протекают в системе. обобщенные параметры – хар-ют саму систему и определяют через неё геометрические размеры и физические константы, имеют относительно постоянные значения. В данном методе преимущественно за основу выбираются эл. процессы, это обуславливается следующим: 1. Мат. аппарат создавался в сер. ХХ века и явл. современным и хорошо проработанным.
2. Эл. процессы можно передавать на большие расстояния. 3. Очень большой диапазон преобразований. 4. Возможность преобразовать как аналоговый сигнал так и цифровой.
Критерии преобразования обобщ. величин и параметров.
энергетический «воздействия - реакция»
2. «заряд - реакция»
3. «воздействие - импульс»
4. коэффициент пропорциональности «сопротивление»
R = U/I, G = 1/R
^
70. Агрегатно-модульный принцип построения роботов и РТС
Предполагает создание роботов на базе группы унифицированных узлов или модулей.
Преимущества:
Возможность построения специальных и специализированных роботов для конкретной технологической операции, не обладающих избыточностью функций и потому более дешевых по сравнению с универсальными роботами
Сокращение времени и трудоемкости проектирования специальных роботов, так как они создаются на базе унифицированных узлов, номенклатура которых может пополнятся
Повышение надежности вследствие отработанности входящих в него унифицированных узлов и отсутствия избыточности
Удешевление производства роботов вследствие ограниченности номенклатуры деталей и узлов и, следовательно, повышение серийности выпуска
Улучшение условий эксплуатации и ремонта роботов вследствие уменьшения разнообразия конструкций узлов и деталей
Сокращение сроков подготовки обслуживающего персонала
Недостатки: отказ в некоторых случаях от более выгодных конструктивных решений в пользу менее выгодных, но соответствующих принципу агрегатного построения, увеличение габаритов и массы конструкции, увеличение числа стыков, что повышает трудоемкость сборки роботов, снижает жесткость и точность
Классификация:
1)по специализации и компоновке: на базе одной принципиальной компоновочной схемы (однотипные роботы различия в размерах, грузоподъемности, системами управления, различными типами приводов); несколько различных компоновочных схем (многотипные – различаются видом системы координат, формой и размерами рабочих зон, грузоподъемностью и другими признаками)
2) по характеру и числу технических показателей: с неизменными значениями основных технический показателей, с ограниченным диапазоном основных ТП, с широким диапазоном основных ТП
3) по типу системы управления: су одного типа, различных типов.
^ Уровни технических решений применяемых при проектировании роботов и РТС. Примеры.
Изобретение: новизна, достоверность, полезность.
5 уровней технических решений:
1. изобретения, не связанные с решением противоречий(тривиальные изобретения).Оценивается уровень изобретения по кол-ву вариантов.(пример. Прочность:толщина)
2. изобретения, решающие технические противоречия с помощью способов, известных в родственных схемах(пример. Задачи для токарных станков решаються способами для сверлильных станков)
3. противоречия и способы их решения –в пределах одной науки.
“средние изобретения”
4. новая отрасль науки
В предлагаемой вниманию читателей работе А.С. Токарева показано, как одна и та же задача могла бы решаться с помощью каждого из сорока приемов, предложенных Г.С. Альтшуллером. Эти примеры конечно же не претендуют на то, чтобы закрыть реальную проблему защиты крыш от снега, о которой идет речь в работе. Это, в первую очередь, любопытные иллюстрации к приемам, позволяющие рассмотреть и сопоставить механизмы их действия. За многие годы, прошедшие после публикации Г.С. Альтшуллером списка из 40 приемов, накоплен определенный опыт практического использования этого инструмента.
В то же время, при изучении приемов они как правило иллюстрируются довольно ограниченным набором технических решений, взятых из различных областей техники. В подавляющем своем большинстве эти решения - иллюстрации были получены их авторами без применения приемов. Эти два фактора (ограниченное число иллюстраций и крайне ограниченное количество примеров реального использования приемов) затрудняют представление совокупности приемов именно как целостного и работающего инструмента. Предлагаемая работа призвана частично устранить этот недостаток. Она может быть полезна преподавателям, позволяя строить объяснение работы всей совокупности методов вокруг одной задачи.
Редактор
Примеры применения приемов
устранения технических противоречий
Токарев А.С.
Московский общественный институт технического творчества
2005/2006
Выпускная работа Часть 2
Разбор задачи с применением инструментов ТРИЗ
***
Одну из значимых частей ТРИЗ составляют приемы устранения технических противоречий (предложены Г.С.Альтшуллером. Подробнее смотри в http://www.altshuller.ru/triz/tools.asp) Приемы были получены путем обобщения решений большого количества задач в технике. Сегодня их применяют не только в технике, но и в бизнесе, рекламе. Рассмотрим использование этого инструмента при решении следующей проблемы.
Проблема: снег, падающий зимой на автостоянку, затрудняет передвижение автомобилей и пешеходов.
Прежде чем применять какие-либо методы решения, следует проблему свести к задаче, так как аналитически решать можно только задачу. Проблема, представляет собой негативное ощущение человека, поставившего ее. Задача же содержит исходные условия и характер результата, который должен быть получен. Поэтому, сначала следует хотя бы в общих чертах определить возможные направления решения проблемы, чтобы впоследствии конкретизировать их вплоть до формулировки задач. В нашем случае возможны следующие направления решения проблемы:
1. Совершенствовать средства передвижения пешеходов и автомобилей. Сейчас есть для пешеходов - лыжи, снегоступы, коньки, снегоходы с мотором; для автотранспорта - зимняя резина, цепи, гусеничный ход. Можно заняться их модернизацией.
2. Убирать или уничтожать упавший снег. Этим сейчас и занимаются дорожные службы в городах. В арсенале - дорожные машины, снегоуборщики, самосвалы, снегоплавильные станции, реагенты. Можно сконцентрировать усилия на их совершенствование.
3. Не допускать падения снега на поверхность дороги или тротуара. Из имеющихся средств - навесы. Улучшению этой, последней, технической системы (ТС) и будет посвящен дальнейший разбор.
Навесы используются для защиты поверхности от падения снега очень давно, но в условиях рыночной экономики к ним предъявляется дополнительное требование - иметь низкую себестоимость. Отсюда можно сформулировать новую, более узкую проблему: при защите автопарковки от падающего снега при использовании навеса приходится тратить деньги на его строительство. Мы получили административное противоречие: требуется снизить себестоимость навеса, но неизвестно, как это сделать. Это еще не задача - нет ни исходных данных, ни характера результата. Для того, чтобы привести это противоречие к технической задаче необходимо конкретизировать условия. Для этого следует описать техническую систему, с которой, или на основе которой, будет вестись разработка решений. Сразу нужно отметить, что получаемые решения не обязательно должны быть похожи на исходную ТС, ведь главной побуждающей силой является решение проблемы, а не модернизация имеющейся ТС.
Для того, чтобы выйти на техническое противоречие, для устранения которого можно будет применить приемы, необходимо предъявить к нашей ТС такие технические требования, которые требовали бы существования ТС в противоположных состояниях одновременно. Одно требование вытекает из главной функции ТС - не пропускать снег на автостоянку. Второе требование - "низкая себестоимость" не является техническим, так как напрямую не относится к технической стороне навеса. Значит надо найти технический эквивалент себестоимости и формулировать противоречие относительно него. В нашем случае возможно несколько вариантов таких эквивалентов. Рассмотрим некоторые из них.
Себестоимость навеса в основном складывается из стоимости материалов и стоимости работ по его постройке. Для обычных конструкций стоимость работ пропорциональна стоимости материалов, к тому же стоимость работ также не является технической характеристикой навеса и формулирование противоречия на ее основе не даст продвижения вперед. Стоимость материалов пропорциональна размеру защищаемой площади автостоянки, которая определяется заказчиком. Обратим внимание на конструкцию, которая состоит из крыши и опор. Площадь крыши также определяется размерами автостоянки. Из оставшихся технических характеристик можно выделить: толщину крыши, количество и расположение опор, площадь сечения опор.
Здесь следует особо подчеркнуть, что выбранная характеристика (например, толщина крыши) будет являться "наживкой", на которую мы будем "ловить" новые идеи, и выбор ее не имеет определяющего значения для решения задачи. В зависимости от выбранной характеристики и предъявленным к ней требованиям решение задачи может пойти по разным путям, но все они должны привести к решениям. Если вдруг выяснится, что в конкретных условиях на выбранную "наживку" реальные идеи "не ловятся", тогда можно выбрать другую (скажем, количество опор на единицу площади навеса), третью и так до полной победы. Более того, как будет показано ниже, получаемые решения часто будут иметь мало общего, как с исходно выбранной характеристикой, так и со структурой исходной ТС вообще.
В нашем случае выберем толщину крыши. Для того, чтобы стоимость материалов крыши была минимальной при определенной площади, ее толщина должна быть минимальна. Таким образом мы заменяем экономический критерий "низкая себестоимость" на техническую характеристику "минимальная толщина крыши".
Теперь можно сформулировать техническое противоречие: если толщину крыши сделать большой, то крыша удержит вес снега, но получится очень дорогой; если толщину крыши сделать маленькой, то она будет дешевой, но не сможет удержать вес снега и разрушится.
Итак, у нас образовалась конфликтующая пара в виде крыши и снега. Поскольку в ТС входит только крыша, то основные изменения будем осуществлять с ней. (В некоторых случаях, снег тоже может стать объектом применения приемов, то есть служить ресурсом для достижения нашей цели - борьбы с вредным давлением толщи снега).
Внимательный читатель заметит в приведенных выкладках еще одну пару противоположностей, касающуюся главной полезной функции крыши, а именно - не пропускать снег и удерживать вес снега. При кажущейся эквивалентности этих понятий существует следующая разница. Запись "удерживать вес снега" предполагает, что снег будет скапливаться и находиться на крыше все время. Запись "не пропускать снег" более общая, так как заранее не предполагает никакого конкретного "поведения" снега, кроме того, она точнее отражает функцию навеса - защита автостоянки, а не удержание снега. Ввиду того, что своей толщиной крыша обязана именно весу снега, который она должна удерживать в рамках традиционного решения, противоречие записано именно с термином "удержать вес снега". В противном случае не будет понятно, зачем нужна толщина, которая обеспечивает крыше прочность. Далее будут предложены примеры использования каждого приема для решения поставленной задачи.
Изложение организовано по следующей схеме: название приема, краткое его содержание, привязка или адаптация содержания приема к рассматриваемой задаче и решение, которое из этого вытекает. Название приемов и их краткое содержание цитируется по работе Г.С. Альтшуллера http://www.altshuller.ru/triz/technique1.asp . Процедура адапации не входит в число рекомендованных Г.С. Альтшуллером и почерпнута из иных методов работы с приемами (метод записной книжки Хефеле). Идеи решений носят оригинальный характер, они были получены автором настоящей работы. Следует отметить, что предлагаемые варианты адаптации и тем более полученные идеи решений не являются единственно возможными, а только одними из вариантов. В реальной практике, мысли, образующиеся в результате применения приемов, будут зависеть от опыта, эрудиции, фантазии, особенностей видения ресурсов и иных особенностей ситуации и многих других процессов, происходящих в психике решателя.
Прием 1. Принцип дробления. а) Разделить объект на независимые части;
б) Выполнить объект разборным;
в) Увеличить степень дробления объекта.
Адаптация: разделить крышу на много маленьких крыш, стоящих на своих опорах. Тогда основную нагрузку веса снега будут нести опоры и крышу можно делать тонкой.
Решение: сделать крышу в виде множества маленьких крыш на своих опорах. Представленное решение промежуточное, так как сразу возникает проблема большого количества опор.
Прием 2. Принцип вынесения. Отделить от объекта "мешающую" часть ("мешающее" свойство) или, наоборот, выделить единственно нужную часть (нужное свойство).
Адаптация: Мешающей частью является толщина крыши. Она появляется в основном из-за того, что нагрузка на крышу получается изгибающая и напряжения в материале весьма велики. Вот если бы удалось сделать нагрузку только растягивающую, то это значительно снизило бы напряжения.
Решение: Подвесить крышу на многочисленных тонких тросах, закрепленных на зданиях или высоких опорах.
Прием 3. Принцип местного качества.
а) Перейти от одной структуры объекта (или внешней среды, внешнего воздействия) к неоднородной.
б) Разные части объекта должны иметь (выполнять) различные функции.
в) Каждая часть объекта должна находиться в условиях, наиболее благоприятных для ее работы.
Адаптация: поскольку у крыши две функции - не пропускать снег и удерживать его вес, следует разделить ее на элементы, специализирующиеся на этих функциях.
Решение: Сделать крышу из двух слоев - один будет снегонепроницаемым, второй силовым, удерживающим весовую нагрузку.
Прием 4. Принцип ассиметрии.
а) Перейти от симметричной формы объекта к асимметричной.
б) Если объект асимметричен, увеличить степень асимметрии.
Адаптация: Исходная ТС представлена как плоскость, лежащая на опорах. Придать ей ассиметричную форму можно наклонив эту плоскость.
Решение: Сделать крышу наклонной, уменьшив тем самым нагрузку на единицу площади крыши, а также с наклонной крыши снег будет скатываться и не будет накапливаться на ней, что тоже уменьшит нагрузку.
Прием 5. Принцип объединения.
а) Соединить однородные или предназначенные для смежных операций объекты.
б) Объединить во времени однородные или смежные операции.
Адаптация: следует соединить все соседние крыши между собой, уменьшив таким образом количество опор и увеличив надежность.
Решение: Делать крыши единым навесом используя в качестве опор все годные для этого сооружения (здания, столбы, киоски и пр.)
Прием 6. Принцип универсальности. Объект выполняет несколько разных функций, благодаря чему отпадает необходимость в других объектах.
Адаптация: Следует добавить крыше выполнение других функций, например быть полом.
Решение: Надстроить над автостоянкой один этаж, который использовать под офис или склад.
Прием 7. Принцип "матрешки".
а) Один объект размещен внутри другого объекта, который, в свою очередь, находится внутри третьего и т. д.;
б) Один объект проходит сквозь полость в другом объекте.
Адаптация: Разместить крышу внутри другой крыши.
Решение: Организовать автостоянку под имеющимися сооружениями - эстакадами, мостами, перекрытиями или заглубить автостоянку под землю.
Прием 8. Принцип антивеса.
а) Компенсировать вес объекта соединением с другими объектами, обладающими подъемной силой.
б) Компенсировать вес объекта взаимодействием со средой (за счет аэро-, гидродинамических и других сил).
Адаптация: Следует компенсировать вес снега соединением его или крыши с объектом, обладающим подъемной силой.
Решение: Прикрепить к крыше воздушный шар или дирижабль, который будет удерживать вес снега.
Прием 9. Принцип предварительного антидействия.
а) Заранее придать объекту напряжения, противоположные недопустимым или нежелательным рабочим напряжениям.
б) Если по условиям задачи необходимо совершить какое-то действие, надо заранее совершить антидействие.)
Адаптация: Нужно создать в крыше напряжения, противоположные рабочим.
Решение: Крышу изготавливать из двух или более листов, создав в этом пакете предварительные напряжения и установить ее так, чтобы эти напряжения были противоположны рабочим напряжениям, образующимся под действием веса снега.
Адаптация: Создать в крыше предварительные напряжения, которые использовать для сброса снега с крыши.
Решение: Сделать крышу в виде полотна закрепленного по периметру на пружинах (как в раскладной кровати или батуте). Перед падением снега прогнуть крышу вниз и закрепить. Когда накопится снег, крышу отпустить и тогда, под действием пружин, крыша взлетит вверх и сбросит снег с себя.
Прием 10. Принцип предварительного действия.
а) Заранее выполнить требуемое изменение объекта (полностью или хотя бы частично).
б) Заранее расставить объекты так, чтобы они могли вступить в действие с наиболее удобного места и без затрат времени на доставку.
Адаптация: Заранее уменьшить количество снега, падающего на крышу.
Решение: Сдувать падающий снег в сторону от крыши с помощью больших вентиляторов.
Прием 11. Принцип "заранее подложенной подушки". Компенсировать относительно невысокую надежность объекта заранее подготовленными аварийными средствами.
Адаптация: Невысокая надежность крыши может привести к ее обрушению. Следует позаботиться о предотвращении разрушительных последствий.
Решение: Крыша рассчитывается на средние нагрузки и при этом делается еще один уровень под ней на случай обрушения.
Прием 12. Принцип эквипотенциальности.
Изменить условия работы так, чтобы не приходилось поднимать или опускать объект.
Адаптация: снег не должен опускаться на крышу, снег не должен покидать тучу.
Решение: Уничтожать снежные тучи или заставить снег идти в другом месте.
Прием 13. Принцип "наоборот".
а) Вместо действия, диктуемого условиями задачи, осуществить обратное действие (например, не охлаждать объект, а нагревать).
б) Сделать движущуюся часть объекта (или внешней среды) неподвижной, а неподвижную - движущейся.
в) Перевернуть объект "вверх ногами".
Адаптация: Перевернуть систему снег-крыша. Снег должен поддерживать крышу. Решение: Сделать крышу в виде сетки, к которой с высокой частотой прикреплено большое количество нитей, свисающих с сетки вниз. Снег должен застревать между нитями, уплотняться и держать себя сам.
Прием 14. Принцип сфероидальности.
а) Перейти от прямолинейных частей объекта к криволинейным, от плоских поверхностей к сферическим, от частей, выполненных в виде куба или параллелепипеда, к шаровым конструкциям.
б) Использовать ролики, шарики, спирали.
в) Перейти к вращательному движению, использовать центробежную силу.
Адаптация: перейти от плоской крыши к сферической.
Решение: Сделать крышу в виде сферического или полуцилиндрического купола. Это уменьшит нагрузку на единицу поверхности крыши, а также будет способствовать скатыванию снега с крыши.
Адаптация: перейти к вращательному движению крыши.
Решение: Сделать крышу в виде вращающегося диска. Снег под действием центробежных сил будет слетать с крыши, уменьшая нагрузку. Кроме того. Центробежные силы будут растягивать саму крышу, компенсируя изгибающие нагрузки от веса снега.
Прием 15. Принцип динамичности.
а) Характеристики объекта (или внешней среды) должны меняться так, чтобы быть оптимальными на каждом этапе работы.
б) Разделить объект на части, способные перемещаться относительно друг друга;
в) Если объект в целом неподвижен, сделать его подвижным, перемещающимся.
Адаптация: сделать крышу подвижной.
Решение: сделать крышу в виде горизонтально расположенной транспортерной ленты. Когда начнет падать снег включить транспортер и тогда крыша будет сбрасывать снег в сторону.
Прием 16. Принцип частичного или избыточного решения.
Если трудно получить 100% требуемого эффекта, надо получить "чуть меньше" или "чуть больше". Задача при этом может существенно упроститься.
Адаптация: "Чуть меньше" означает, что крыша может задерживать не весь упавший на нее снег.
Решение: Сделать крышу с отверстиями, что снизит расход материала. Некоторое количество снега, выпадающего в отверстия не создаст серьезных проблем для движения на автопарковке и будет растоплено шинами и выхлопными газами.
Прием 17. Принцип перехода в другое измерение.
а) Трудности, связанные с движением (или размещением) объекта по линии, устраняются, если объект приобретает возможность перемещаться в двух измерениях (то есть на плоскости). Соответственно, задачи, связанные с движением (или размещением) объектов в одной плоскости, устраняются при переходе к пространству трех измерений.
б) Многоэтажная компоновка объектов вместо одноэтажной.
в) Наклонить объект или положить его "набок".
г) Использовать обратную сторону данной площади.
д) Использовать оптические потоки, падающие на соседнюю площадь или на обратную сторону имеющейся площади.
Адаптация: Сделать крышу не из одного слоя, а из нескольких.
Решение: Сделать крышу в виде нескольких слоев сеток, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга и имеющим разный размер ячейки - крупные ячейки выше, мелкие ниже. Снег будет просачиваться через верхние слои, постепенно достигая нижних. Тогда нагрузка будет распределена по вертикали, и вес приходящийся на одну сетку будет значительно меньше.
Прием 18. Использование механических колебаний.
а) Привести объект в колебательное движение.
б) Если такое движение уже совершается, увеличить его частоту (вплоть до ультразвуковой).
в) Использовать резонансную частоту.
г) Применить вместо механических вибраторов пьезовибраторы.
д) Использовать ультразвуковые колебания в сочетании с электромагнитными полями.
Адаптация: привести крышу в колебательное движение.
Решение: Возбудить в крыше вертикальные колебания, что позволит поддерживать снег за счет динамических сил. Если при этом слегка наклонить крышу, то постепенно снег будет с нее сползать.
Прием 19. Принцип периодического действия.
а) Перейти от непрерывного действия к периодическому (импульсному).
б) Если действие уже осуществляется периодически - изменить периодичность.
в) Использовать паузы между импульсами для другого действия. Адаптация: крыша должна удерживать снег периодически, а периодически не удерживать снег. Крыша должна периодически очищаться от снега. Следует установить на ней периодический очиститель.
Решение: Установить на крыше надувную подушку, в которую периодически резко подавать газ. Надуваясь и увеличиваясь подушка будет сбрасывать снег с себя и крыши.
Прием 20. Принцип непрерывности полезного действия.
а) вести работу непрерывно (все части объекта должны все время работать с полной нагрузкой).
б) устранить холостые и промежуточные ходы.
Адаптация: Исходя из этого приема, крыша должна непрерывно находиться под максимальной нагрузкой. Но снег падает периодически, значит нагрузку надо добавить. Например, собрать на крышу весь снег из соседних участков. Тогда оправдано сделать крышу толстой.
Решение: Сделать толстую крышу в виде хранилища снега, куда собирать его со всех соседних участков.
Прием 21. Принцип проскока.
Вести процесс или отдельные его этапы (например, вредные или опасные) на большой скорости.
Адаптация: Вредным является процесс удержания снега. Его нужно осуществлять так быстро, чтобы нагрузка на крышу не превзошла критическую. Крыша должна появляться на некоторое время, в течение которого она начнет деформироваться под действием нагрузки, но недостаточное для развития разрушающих деформаций. После чего на ее месте должна оказываться другая, недеформированная крыша.
Решение: Крыша должна представлять собой ленту, движущуюся с огромной скоростью так, чтобы ее участок, на котором лежит снег, не успел деформироваться до разрушающих нагрузок.
Прием 22. Принцип "обратить вред в пользу".
а) Использовать вредные факторы (в частности, вредное воздействие среды) для получения положительного эффекта.
б) Устранить вредный фактор за счет сложения с другим вредным фактором.
в) Усилить вредный фактор до такой степени, чтобы он перестал быть вредным.
Адаптация: Вредным фактором является снег. Усилить его - значит увеличить его количество. Если увеличить количество снега аж до самой земли, то он начнет держать себя сам.
Решение: Сделать крышу в виде перевернутых конусов, опирающихся на землю. Снег заполняя конусы будет частично поддерживать себя.
Прием 23. Принцип обратной связи.
а) Ввести обратную связь.
б) Если обратная связь есть - изменить ее.
Адаптация: обратная связь в нашем случае может быть записана так: чем больше снега - тем толще нужна крыша или чем больше снега - тем быстрее его надо убирать. Используя полученное ранее решение с наклоном крыши можно получить его модификацию.
Решение: Наклон крыши увеличивается по мере усиления снегопада.
Прием 24. Принцип "посредника".
а) Использовать промежуточный объект, переносящий или передающий действие.
б) На время присоединить к объекту другой (легко удаляемый) объект.
Адаптация: На время присоединить к крыше элементы, помогающие ей удерживать снег.
Решение: В случае большого количества снега на крыше устанавливать дополнительные опоры, которые убирать после очистки крыши от снега.
Прием 25. Принцип самообслуживания.
а) Объект должен сам себя обслуживать, выполняя вспомогательные и ремонтные операции.
б) Использовать отходы (энергии, вещества).
Адаптация: крыша сама должна себя обслуживать. Так как снег она не пропускает (по условию задачи), то обслуживание может заключаться в самоочистке от снега. У крыши должны быть элементы, помогающие ей очиститься от снега. Желательно за счет самого снега.
Решение: Сделать крышу из пружинящих лепестков. Падающий снег, накапливаясь, будет сжимать пружинистые лепестки, которые распрямляясь будут отбрасывать снег в сторону от крыши.
Прием 26. Принцип копирования.
а) Вместо недоступного, сложного, дорогостоящего, неудобного или хрупкого объекта использовать его упрощенные и дешевые копии.
б) Заменить объект или систему объектов их оптическими копиями (изображениями). Использовать при этом изменение масштаба (увеличить или уменьшить копии).
в) Если используются видимые оптические копии, перейти к копиям инфракрасным или ультрафиолетовым.
Адаптация: оптическая копия крыши - это голограмма. Голограмма выполняется с помощью лазерного луча. Если мощность луча достаточно велика, то такая "лазерная" крыша может плавить снег сама.
Решение: Крыша в виде лазерного луча, организованного в плоскость и имеющего достаточную мощность для плавления падающего снега.
Прием 27. Дешевая недолговечность взамен дорогой долговечности. Заменить дорогой объект набором дешевых объектов, поступившись при этом некоторыми качествами (например, долговечностью).
Адаптация: крыша должна стать одноразовой и уничтожаться после каждого снегопада.
Решение: Сделать крышу в виде ковра, к которому прилипает снег. После снегопада ковер со снегом скатать в рулон и отправить на снегоплавильную станцию или складировать до весны, а на крыше расстелить новый ковер.
Прием 28. Замена механической схемы.
а) Заменить механическую систему оптической, акустической или "запаховой".
б) Использовать электрические, магнитные и электромагнитные поля для взаимодействия с объектом.
в) Перейти от неподвижных полей к движущимся, от фиксированных - к меняющимся по времени, от неструктурных - к имеющим определенную структуру.
г) Использовать поля в сочетании с ферромагнитными частицами.
Адаптация: применить для удержания снега электростатические или магнитные поля.
Решение: Перед подлетом снега к крыше его следует электростатически зарядить или намагнитить и далее удерживать или менять траекторию падения с помощью электростатических или магнитных полей.
Прием 29. Использование пневмо- и гидроконструкций. Вместо твердых частей объекта использовать газообразные и жидкие: надувные и гидронаполняемые, воздушную подушку, гидростатические и гидрореактивные.
Адаптация: использовать надувные конструкции крыши.
Решение: Сделать крышу в виде надувной подушки с постоянным давлением. В этом случае основную нагрузку будет держать газ, а нагрузка на оболочку, работающую только на растяжение будет заметно снижена.
Прием 30. Использование гибких оболочек и тонких пленок.
а) Вместо обычных конструкций использовать гибкие оболочки и тонкие пленки.
б) Изолировать объект от внешней среды с помощью гибких оболочек и тонких пленок.
Адаптация: Так как исходная задача уже подразумевает крышу, как плоскость не имеющую толщины, применение этого приема "в лоб" не даст ничего нового. Значит надо посмотреть на ситуацию по-другому. Пленка - это не обязательно пленка вещества, это может быть пленка воздуха.
Решение: Установить по всей поверхности крыши сопла, подающие воздух. Снег будет или динамически поддерживаться в воздухе или сдуваться в сторону, если крышу или сопла наклонить.
Прием 31. Применение пористых материалов.
а) Выполнить объект пористым или использовать дополнительные пористые элементы (вставки, покрытия и т. п.)
б) Если объект уже выполнен пористым, предварительно заполнить поры каким-то веществом.
Адаптация: крыша должна быть пористой
Решение: Сделать крышу в виде натянутой сетки с ячейками имеющими размер, не позволяющий снегу проникнуть через них. Расход материала уменьшится.
Решение 2: Сделать толстую крышу из легкого пористого материала с крупными порами. Снег забиваясь в поры будет формировать массу, способную нести силовую нагрузку.
Прием 32. Принцип изменения окраски.
а) Изменить окраску объекта или внешней среды.
б) Изменить степень прозрачности объекта или внешней среды.
в) Для наблюдения за плохо видимыми объектами или процессами использовать красящие добавки.
г) Если такие добавки уже применяются, использовать меченые атомы.
Адаптация: изменить окраску крыши или снега.
Решение: Если распылить на выпавший снег черную краску, то это будет способствовать быстрейшему его таянию под воздействием солнечных лучей.
Прием 33. Принцип однородности. Объекты, взаимодействующие с данным объектом, должны быть сделаны из того же материала (или близкого ему по свойствам).
Адаптация: крыша должна быть сделана из снега.
Решение: Сделать крышу ледяной либо из первого выпавшего снега, либо предварительно соорудить ледяную конструкцию.
Прием 34. Принцип отброса и регенерации частей.
а) Выполнившая свое назначение или ставшая ненужной часть объекта должна быть отброшена (растворена, испарена и т. д.) или видоизменена непосредственно в ходе работы.
б) Расходуемые части объекта должны быть восстановлены непосредственно в ходе работы.
Адаптация: крыша должна исчезать выполнив свою функцию - не дать снегу упасть на автостоянку. Тогда она должна исчезать вместе со снегом. Это похоже на непрерывный поток.
Решение: Пустить по наклонной крыше теплую воду, которая стекая, будет забирать с собой падающий на нее снег.
Прием 35. Изменение физико-химических параметров объекта.
а) Изменить агрегатное состояние объекта.
б) Изменить концентрацию или консистенцию.
в) Изменить степень гибкости.
г) Изменить температуру.
Адаптация: изменить агрегатное состояние снега.
Решение: Подогреть крышу и снег лежащий на ней, чтобы он превратился в воду. Тогда он сможет сам стечь с нее уменьшив нагрузку.
Прием 36. Применение фазовых переходов. Использовать явления, возникающие при фазовых переходах, например изменение объема, выделение или поглощение тепла и т. д.
Адаптация: Процесс уплотнения снега при его длительном лежании приводит к повышению плотности и прочности снега. Этот эффект можно использовать для поддержания прочности крыши.
Решение: Сделать крышу в виде толстой арочной конструкции с радиальными каналами. Снег заполняя каналы будет спрессовываться по мере приближения к геометрическому центру и станет способен выдерживать силовую нагрузку.
Прием 37. Применение термического расширения.
а) Использовать термическое расширение (или сжатие) материалов.
б) Если термическое расширение уже используется, применить несколько материалов с разными коэффициентами термического расширения.
Адаптация: можно использовать термическое расширение материала крыши для выравнивания нагрузки на нее.
Решение: Сделать крышу из двух листов с разным коэффициентом термического расширения. В результате выпадения снега температурное поле на крыше будет меняться и в крыше будут возникать напряжения, которые можно использовать для компенсации веса снега.
Приeм 38. Применение сильных окислителей.
а) Заменить обычный воздух обогащенным.
б) Заменить обогащенный воздух кислородом.
в) Воздействовать на воздух или кислород ионизирующими излучениями.
г) Использовать озонированный кислород.
д) Заменить озонированный (или ионизированный) кислород озоном.
Основная цель этой цепи приемов - повысить интенсивность процессов.
Адаптация: можно повысить интенсивность таяния или растворения снега.
Решение: Подавать на поверхность крыши специальные химические реагенты, растворяющие снег или переводящие его в жидкое состояние.
Прием 39. Применение инертной среды.
а) Заменить обычную среду инертной.
б) Вести процесс в вакууме.
Адаптация: Понятие "инертный" означает - не реагирующий. Следует сделать снег не реагирующим с крышей, например, исключить или значительно ослабить силу притяжения или удельный вес снега. Это возможно, если превратить его в пар. Решение: При подлете снега к крыше следует превратить его в пар путем нагревания тепловыми или СВЧ установками.
Прием 40. Применение композиционных материалов. Перейти от однородных материалов к композиционным.
Решение: Сделать крышу из композиционного материала.
Представленные решения можно разделить на две основные группы: повышающие несущую способность крыши и уменьшающие снеговую нагрузку на крышу. Следует отметить, что в случае постановки задачи в формулировке "удерживать снег" вторая часть массива решений не была бы получена, несмотря на их дееспособность.
Очевидно также, что не все приемы давали одинаково действенные решения, а некоторые приемы приводили к решениям, похожим на другие. Для того, чтобы оптимизировать работу с приемами была построена "Таблица выбора приема устранения технических противоречий" в которой для разрешения конкретных видов противоречий рекомендовалось применять не все приемы, а только определенные.
Для выбора приемов с помощью таблицы необходимо определить два параметра: что мы хотим улучшить и что при этом ухудшается. Для этого вспомним ТП, записанное в начале разбора: "если толщину крыши сделать большой, то крыша удержит вес снега, но получится очень дорогой; если толщину крыши сделать маленькой, то она будет дешевой, но не сможет удержать вес снега и разрушится". Но в стандартной таблице выбора приемов нет терминов "толщина" и "стоимость". Значит, придется найти адекватные замены этим терминам с учетом особенностей рассматриваемой технической задачи. Сразу нужно отметить, что возможно несколько вариантов замены. Рассмотрим два из возможных.
Вариант замены терминов №1
Как было показано в предварительном анализе, эквивалентом стоимости может служить материалоемкость крыши. Термина "материалоемкость" также нет в таблице, но есть термин "объем неподвижного объекта". Если представлять крышу относительно монолитной конструкцией, то "материалоемкость", как вес материала может быть заменена "объемом неподвижного объекта" (крыши), считая плотность материала постоянной.
Термин "толщина", как линейный размер, может быть заменен на "длину неподвижного объекта".
Тогда получаем, что по условиям задачи надо изменить "длину неподвижного объекта" и при этом ухудшается "объемом неподвижного объекта". С помощью таблицы, определяем рекомендуемые приемы разрешения ТП: №№ 35, 8, 2, 14. Решения, получаемые с помощью этих приемов описаны выше.
Вариант замены терминов №2
Используем часть ТП "если толщину крыши сделать маленькой, то она будет дешевой, но не сможет удержать вес снега и разрушится". Термин "толщина", как и прежде заменяем на "длину неподвижного объекта". Термин "удержать вес" может быть заменен на "прочность", таким образом, у нас при изменении "длины" (толщины) ухудшается "прочность". Но в таблице не оказывается рекомендаций по разрешению такого противоречия. Требуется еще одна замена терминов.
В нашем случае термин "толщина", для подстановки его в графу "что требуется изменить", путем нескольких итераций может быть заменен на "объем неподвижного объекта". Интересно, что в предыдущем варианте этот термин использовался в разделе "что ухудшается". В результате, при паре нужно изменить "объем неподвижного объекта" и при этом ухудшается "прочность", получаем рекомендацию воспользоваться приемами №№ 28, 6, 32.
Легко заметить, что среди них нет ни одного приема из рекомендованных для предыдущего рассмотренного варианта выбора параметров подстановки №1. Получается, что в зависимости от выбранной адаптации задачи к терминам таблицы могут быть рекомендованы совершенно разные приемы даже для одного и того же технического противоречия. Отсюда следует, что к вопросу замены терминов задачи на термины, присутствующие в таблице, следует подходить внимательно и в случае неоднозначности пробовать все возможные варианты для получения большего количества решений. Правда, так можно очень быстро придти к тотальному перебору всех приемов.
Обобщая результаты можно сделать следующие выводы: 1.
Качество решений, получаемых с помощью приемов, зависит как от кругозора решателя, так и от его настойчивости. 3.
Перечень терминов, используемых в качестве входных данных в таблице разрешения ТП, может оказаться недостаточным. Необходима работа по расширению таблицы и заполнению пустых клеток внутри существующей.
ПЯТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОТИВОРЕЧИЙ АВТОМОБИЛЕЙ
E-mail: *****@***ru
Инженер, ОО ТРИЗ-Чебоксары, РОССИЯ
Чувашский государственный университет, РОССИЯ
Тел. 89063842457, e-mail: *****@***ru
Аннотация. В статье рассмотрены 5 видов противоречий использования личного автотранспорта, связанных с: личным и общественным удобством, аварийностью на дорогах, большой зависимостью от погоды и состояния покрытия, невысоким временем использования (личный транспорт больше стоит, чем движется), выхлопом не только углекислого газа, но и окисла . Рассмотрены подходы к разрешениям этих противоречий с позиций алгоритма решения изобретательских задач АРИЗ, в частности системы приёмов разрешения технических и физических противоречий. Предложены вероятные решения проблем, вызванных указанными противоречиями.
Ключевые слова: технические противоречия, автомобили, приёмы разрешения противоречий, АРИЗ –элементы методик теории решения изобретательских задач ТРИЗ, безопасность личного автомобиля.
THE TECHNICAL CONTRUDICTIONS AND THE AUTOMOBILE
A. R. Andreev, ChuvSU, Cheboksary, RUSSIA
phone: 8917650 3527, e-mail: *****@***ru
E. D. Andreev, Engineer, TRIZ-Cheboksary, RUSSIA
V. A. Mikhailov, ChuvSU, Cheboksary, RUSSIA
Phone: 8906 384 2457, e-mail: *****@***ru
Abstract. In article 5 types of contradictions of use of personal motor transport are considered: personal convenience, comfort inside and accident rate on highways, big dependence on weather and condition of highways, an individual transport costs more, than moves, secretion of nitrogen oxide. Approaches to permissions of these contradictions from positions of algorithm of the solution of inventive problems of ARIZ, in particular system of receptions of permission of technical and physical contradictions are considered. The probable solution of these of problems.
Keywords: technical contradictions, automobiles, methods of resolution of conflicts, ARIZ – elements of techniques of the theory of the solution of inventive problems (TRIZ), safety of the privately owned vehicle.
1. СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ АВТОТРАНСПОРТА
Уровни комфорта и безопасности водителя и пассажиров непрерывно улучшают, скорости перевозки возможны 200 км/час, но даже на хорошем автобане, открытом атмосферным осадкам (снегу, льду, воде, туману), поездка становится опасной и уже уносит большое число человеческих жизней. Резкое возрастание сопротивления воздушной среды, возможности путепроводного полотна, экологические проблемы – ограничивают быстроту движения автомобилей. Из параметров транспорта много внимания уделяется его энергопотреблению. Существующие параметры транспорта и путей достигли предельных величин. С точки зрения ТРИЗ , они вышли на участок насыщения известной S-образной кривой изменения параметров во времени, когда : «вес, объём и площадь (машины) и объекта (с которым она взаимодействует) … должны почти совпадать». И энергопотребление на единицу параметра достигает минимально-возможного значения. Какое-то время у системы есть, чтобы оставаться на достигнутом уровне параметров. Потом в соответствии со стремлением всех систем к идеальности они должны исчезнуть: идеален тот «…технический объект…, которого нет, а функция его выполняется»:
– во-первых, выявляют противоречия имеющегося средства, через разрешение которых и происходит развитие;
– во-вторых, новая система должна сначала появиться в проекте, затем в макете, пройти испытания, потом претвориться в массовых сериях;
– в-третьих, нужно время, чтобы общество оценило новую систему, её достоинства и, затем, ощутило потребность в ней;
– в-четвёртых, нелегко запустить систему в производство и «внедрить» изделие в жизнь потому что нужно изменять также смежные отрасли промышленности.
Технические противоречия (ТП), подлежащие устранению (разрешению):
ТП-1: система для перемещения на поверхности земли подвержена воздействию атмосферных осадков, но она не должна быть подвержена им для безопасности перевозок.
ТП-2: система для перемещения должна быть личной (т. е. под рукой в любое время), но она должна быть общественной, чтобы не простаивать и не занимать дорогую городскую площадь, ожидая хозяина, и не затруднять его обслуживанием (быть как такси, но доступнее). Возрастает в городах число автомобилей и для них всё труднее находить места для парковки.
ТП-3: система для перемещения на земле подразумевает возможность столкновений, но она должна исключать возможность столкновения в принципе, чтобы гарантировать жизни людей.
Кроме разрешения этих трёх ТП и сохранения высоких значений скорости перемещения и соотношения «m груза/m системы» при минимальном потреблении энергии (высоком КПД) – предполагаемая система должна разрешить ещё и такие противоречия.
ТП-4: объект научно-технического прогресса при своём развитии не может не влиять на природную среду вредно, но он должен развиваться, сохраняя её.
ТП-5: для увеличения КПД двигателя ДВС возрастает степень сжатия топливной смеси в цилиндрах, при этом возрастает температура горения с 900°С до более 1200°С, но при таких температурах уже окисляется азот воздуха до окисла азота NO, присутствие NO в выхлопе недопустимо.
Последние два противоречия имеют следствием нарушения глобального закон о чистоте энергопотребления и требования ко всем искусственным объектам: использовать для реализации своей функции такие источники энергии, которые не загрязняют и не перегревают окружающую среду. Нашей эпохе не соответствуют даже электромобили – только до первого снегопада и гололёда, потому что «газовать» на заносах означает быстрый разряд аккумулятора. Надо согласиться с : «На смену автомобилю придет не электромобиль, а система, которая будет включать автомобиль (или эквивалентное ему действие) в качестве одной из подсистем». Электроэнергии тоже не является экологически чистой, так как и ТЭЦ, и ГЭС загрязняют природу. К закону о чистоте источников энергии добавляется ещё и требование: при реализации функции объекта запрещаются какие-либо формы противостояния природе. Это будет акт признания человеком превосходства природы. Руководствуясь им, в дальнейшем можно избежать многих недоразумений при развитии в сторону приближения к идеальности. Неужели и в будущем мы будем закапывать огромные средства в дорожное полотно, которое всё равно в нашем климате разрушается, требуя снова и снова больших затрат на ремонт? Без развития техники природная среда осталась бы невредимой. Но «… потенциально природа обречена; она неизбежно будет вытеснена стремительно растущей техникой …» . Если техника вдруг перестанет быть «стремительно растущей», как она это делает в настоящее время – то у природы появляется шанс на сохранение, а у ТП-4 – вариант разрешения. Не технический прогресс губит естественный мир, а производство сверх целесообразности.
2. ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ТРИЗ К РАЗРЕШЕНИЮ ТП-1 -4
Шаг 1. Целями решения в развитии личного транспорта являются гарантирование безопасности движения с высокой скоростью при практически любой погоде и с минимальным воздействием на окружающую среду. (Зачем это нужно? Сейчас имеет место высокая аварийность личных автомобилей из-за высокой вероятности их столкновений, большое влияние на аварийность оказывает состояние поверхности дороги и погоды, другие причины, независимые от данного водителя. Что этому содействует? Плотный поток транспорта и высокая скорость движения.)
Шаг 2. ИКР - Идеальный конечный результат: САМО СОБОЙ достигается полное исключение столкновений автомобилей и в лоб, и сзади и влияние изменений погоды на движение автомобилей при постоянном движении транспорта за исключением остановок на посадку и высадку пассажиров с практически круглосуточной его доступностью.
Шаг 3. Выбор направлений поиска:
3.1 – что нужно улучшить: безопасность движения автотранспорта в любую погоду;
3.2 – что нужно устранить: столкновения автомобилей и в лоб, и сзади;
3.3 – какой элемент должен быть, чтобы обеспечить пользу, и не должен быть, чтобы устранить вред: личный автомобиль обеспечивает удобство и скорость передвижения, но он больше стоит, чем двигается, занимает много места на улицах города и при движении часто попадает в дорожно-транспортные происшествия;
3.4 – какое действие должно выполняться, чтобы была польза, и не должно выполняться, чтобы не возникал вред: движение автомобиля по дорогам обеспечивает быстрое передвижение, но оно при плохой погоде приводит к столкновениям автомобилей;
3.5–какое условие должно иметь одно значение, чтобы обеспечить пользу, но должно иметь другое значение, чтобы не возникал вред: для быстроты передвижения скорость автомобиля должна быть высокой, для улучшения безопасности движения скорость его должна быть малой (в пределе автомобиль должен всегда стоять).
Выбираем поиск путей как «устранить столкновения автомобилей при движении по автодороге в плохую погоду с большой скоростью и в лоб, и сзади».
Шаг 4. Поиск идей с помощью 30 абстрактных изобретательских приёмов :
4.1 – рассмотрим раздел «Ресурсы»: энергия, вещества, информация, производное (от энергии, вещества или информации), концентрация чего-либо: пока большая энергия столкновения поглощается повреждением корпуса автомобиля (это уменьшает вред для пассажиров – имеется много патентов в этом направлении как и по другим защитным средствам для пассажиров – это направление поглощения вредной энергии); изменяют конструкции вещества-корпуса для решения этой задачи – имеется много патентов; используют информацию по «сопротивлению материалов», на широких шоссе применяют разделение полос встречного движения, чтобы исключить столкновения «в лоб», такое же разделение потоков иногда имеет место в тоннелях;
4.2 – раздел «Время» как ресурс разрешения противоречий: заранее, после, в паузах, ускорить или замедлить, добавим в «одно и то же время»: заранее разрабатывают корпус и бампер, улучшающие энерго-поглощение при столкновениях; после разрезают корпус с слабых местах для извлечения пассажиров; паузы – остановки движения используют для отдыха водителя; ускорить – редко удаётся избежать столкновений путём ускорения движения; замедлить – при ухудшении погоды рекомендуют замедлить движение; в одно и то же время – требуется по задаче и быстрое, и безопасное движение в любых условиях;
4.3 – раздел «Пространство» как ресурс разрешения противоречий: другое измерение – на некоторых мостах встречное движение производят на разных уровнях-этажах; асимметрия – бывает, что в разных направлениях движения ширина полос разная; матрёшка – например, труба в трубе (такие примеры возможны втрубопроводном транспорте?); вынесение – разделение движения на особо опасных участках дорог; локализация – местное ограничение скорости движения, видео контроль движения;
4.4 – раздел «Структура»: исключение – здесь важно в принципе исключить возможности любых столкновений: это возможно при движении в трубе, тогда разные направления обеспечиваются в разных трубах – исключаются лобовые столкновения; если же движение средства-капсулы обеспечивается давлением воздуха, то для двух соседних капсул исключено и столкновение сзади, так как при более быстром движении задней капсулы между двумя капсулами повысится давление воздухаи задняя капсула плавно САМА затормозится (вплоть до остановки на достаточном расстоянии от передней капсулы); дробление – переход источника энергии от ДВС к давлению воздуха означает «раздробление» источника энергии до молекул; объединение – труба-дорога и капсула объединяются в одну систему, обеспечивающую безопасное передвижение капсул с пассажирами в почти любую погоду с достаточно большими и почти постоянными скоростями без любых столкновений капсул с пассажирами; в такой объединенной системе изменяются источник энергии, вводится и объединенная система управления движением АСУТП пневмотранспорта, т. к. внутри капсулы смогут быть только две кнопки: станция назначения и старт – всё движение может управляться только централизовано и автоматизировано – под контролем оператора движения на АСУТП; посредник – источником и регулятором движения будет давление воздуха, подаваемого в трубу системой компрессоров (например, расположенных вдоль трубы через 5-10 км); копия – вместо пульта управления в капсулах будут мониторы, отображающие место и параметры её движения; как видно, по приёмам-подсказкам раздела «Структура» намечены контуры идеи пассажирской , которая пока практически не применяется в этих целях (известны локальные пневмо-системы перемещения грузов); по приёмам «вынесения» и «локализации» из раздела «4.4 - Пространство» в предлагаемой пассажирской пневмо-транспортной системе (ППТС) источник энергии, требуемой системе, вынесен из движущейся капсулы в Надсистему ППТС, туда же вынесены и устройства управления движением капсулы;
4.5 – раздел «Условия и Параметры» включает приёмы разрешения противоречий: частично –капсула представляет собой только облегчённый корпус автомобиля; избыточно – взамен усложнена автодорога;согласовано – все подсистемы ППТС должны работать согласовано; динамично и управляемо – АСУТП динамично отслеживает и задаёт режимы всех подсистем ППТС; – все предполагаемые неполадки работы системы и каждой капсулы в пути, по возможности предусмотрены в программах АСУ и контролируются оператором на центральной станции управления ППТС; изоляция – трубы практически полностью изолируют движущиеся капсулы от подавляющего большинства неблагоприятных погодных явлений; противодействие – чтобы у пассажиров не возникала клаустрофобия, капсулы и верхняя половина трубы будут прозрачными (сделаны из упрочнённого полимера или композита); одноразовость – каждым конкретным пассажиром капсула используется только на время поездки, после его высадки в неё сядет для своего маршрута поездки другой пассажир; инверсия – в системах АСУТП и ППТС следует предусмотреть на станциях накопления капсул, которые часто используются пассажирами для высадки, переустановку капсул в трубу противоположного направления движения.
Шаг 5. Концепция: из сочетания подсказок всех разделов и более 15 подсказок-приёмов (более всего подсказок выбранов разделе4 «Структура», остальные 10-12 приёмов подкрепляли, уточняли и расширяли концепцию технического решения). Все вышерассмотренные идеи позволили представить в ФИПС заявку на патент со следующей формулой изобретения:
1. Транспортная система (ТрС), включающая корпус-салон средства перемещения, расположенный в трубопроводе и снабжённый сиденьями и дверями для пассажиров, отличающаяся тем, что содержит центр автоматического управления движением, через канал связи подключенный к компьютерам реверсивных воздушных компрессорных станций, которые последовательно по длине маршрута посредством своих стыковочных узлов и их шторок соединены с полостью трубопровода, создают и коммутируют движущие потоки воздуха в нём, при этом корпус-салон оборудован бортовым компьютером, включённым через указанный канал связи в единое информационное пространство ТрС, и конструктивно выполнен в виде прозрачной пустотелой цилиндрической, заострённой с переднего конца капсулы (рис. 1), имеющей впускные и выпускные регулируемые решётки, входную дверь-люк открываемую сдвигом внутрь-назад в области потолка, переднее и заднее регулируемые по высоте сидений и наклону спинок пассажирские кресла с пристежными ремнями, а так же позиционируемой при движении и остановках фиксаторами качения в пазах трубопровода, который собирается из прозрачных ударопрочных труб, содержащих аварийные люки с возможностью их открытия сдвигом вверх-в-бок, и размещается на опорах, приподнятых относительно поверхности земли.
Рис. 1 Транспортная труба (4) с капсулой (5): 6 – люк для посадки пассажиров; 7 – кресла для пассажиров; 8 – колёса
Рис. 2 Блок-схема ППТС. Здесь 1 – это блок АСУТП управления движением капсул 5 в трубопроводе 4. Управление идёт по каналу связи 2 путём активизации компрессорных станций 3
2. ТрС по п.1 (рис. 2), в которой центр автоматического управления распределяет зоны ответственности среди местных и региональных центров автоматического управления и объединяет их, а также остальных участников движения в единое информационное пространство.
3. ТрС по п.1 (рис. 3), в которой локальное управление движением конкретной капсулы на участке между двумя соседними компрессорными станциями передаётся компьютеру одной из них, назначенной ведущей.
4. ТрС по п.1, в которой расстояние между соседними компрессорными станциями определяется условиями создания необходимого коэффициента полезного действия для движения капсулы в рамках допустимых скоростей, с учётом рельефа местности и загрузки.
Рис. 3 Под действием давления капсула 5, наружный диаметр которой на 0,5-1 см меньше внутреннего диаметра трубы 4, движется, фиксируясь колёсами в пазах трубы
5. ТрС по п.1, в которой трубопроводы на вокзалах переключаются на нужные направления движения, или к посадочным платформам, посредством поворотных контактных устройств.
6. ТрС по п.5, в которой поворотное контактное устройство представляет собой отрезок трубы, который после заезда и остановки в нём капсулы, вращением в горизонтальной плоскости на 180 градусов соединяется с выбранной для продолжения маршрута веткой трубопровода.
7. ТрС по п.1, компрессорные станции которой содержат два стыковочных узла на каждой ветке проходящего трубопровода, обслуживающие её левые и правые каналы.
8. ТрС по п.7, в которой трубопровод состоит из двух веток встречного движения.
9. ТрС по п.7, в которой шторки стыковочных узлов закрываются и открываются механизмом управления, а также блокируются в закрытом состоянии соответствующими ловителями, по сигналам компьютера своей компрессорной станции.
10. ТрС по п.1, в которой бортовой компьютер капсулы имеет выход на канал связи, монитор и клавиатуру управления, транслирует в автоматическом режиме телеметрию движения, посылает запросы пассажира в центр управления движением, принимает от него текущую информацию, поддерживает интернет-вещание.
11. ТрС по п.10, в которой наряду с компьютером салон капсулы содержит необходимую периферию, как-то: микрофон, наушники, акустические системы, освещение, аккумулятор, а также имеет на потолочной части свето-поглощающее покрытие, например, вида «хамелеон».
12. ТрС по п.1, в которой впускная регулируемая вентиляционная решётка капсулы располагается в области её задней стенки, обрамлённой по периметру прорезиненной юбкой, а выпускная регулируемая вентиляционная решётка размещается на боковой передней поверхности.
13. ТрС по п.1, в которой капсулы, трубопроводы, а также их люки выполняются из полимерного соединения высокой прочности.
14. ТрС по п.13, в которой посадочные и аварийные люки выполняются конструктивно по типу «фонарь» и имеют уплотнители для герметизации в закрытом состоянии, а капсула оборудована аварийным тормозным устройством и аварийным мускульным приводом движения.
15. ТрС по п.1, в которой спинки кресел при необходимости складываются и обеспечивают, с применением пристежных ремней, размещение пассажира или груза в горизонтальном положении.
16. ТрС по п.1, в которой фиксаторы качения располагаются симметрично в углублениях на боковых цилиндрических поверхностях корпуса капсулы и выполняются прорезиненными и подпружиненными.
17. ТрС по п.1 или п. 16, в которой продольные пазы на внутренней поверхности трубопровода должны обеспечивать свободное движение в них фиксаторов качения.
18. ТрС по п.1 или п. 8, в которой трубопровод представляет две рядом расположенные параллельные ветки встречного движения, приподнятые на опорах над поверхностью земли.
3. ПРИМЕР ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКОЙ СИТУАЦИИ
1. За последние 50 лет у двигателей автомобилей сни;ty в 2-3 раза расход бензина путём увеличения степени сжатия горючей смеси в их цилиндрах, при этом увеличилась температура горения с 900оС до 1200оС. Очистку выхлопных газов от несгоревшего топлива улучшили также применением Pt-катализатора. Повышение в камере сгорания температуры привело к тому, что недопустимо возросло в выхлопе содержание вредного окисла азота ON. Сейчас в патентном фонде ФИПС РФ много предложений по вводу в выхлопной тракт , мочевины и ещё одного катализатора для превращения окисла в азот по реакции: 4NH3 + 6NO =(kt1)=> 5N2 + 6H2O
и 6NO + 2СОN2Н4 (тв., мочевина) =(kt1)=> 5N2 + 2CO2 + 4H2O.
Это приводит к усложнению и удорожанию системы выхлопного тракта (СВТ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Рассмотрим поиск решения по алгоритму генератора идей .
Поиск решения
2. Цель: очистить выхлопной газ от окисла азота NO, не усложняя тракт выхлопа. Зачем это надо: примесь газа NO в воздухе вредна для дыхания. Что мешает: Pt катализатор улучшает окисление в выхлопе СО и СхНуОz – продуктов неполного сгорания топлива, но не изменяет содержание NO, применение NН3-содержащего реактива усложняет систему выхлопного тракта.
3. ИКР: Само собой достигается в СВТ превращение NO в обычный N2 воздуха при вводе NН3-содержащего реактива без усложнения выхлопного тракта ДВС.
4.1 Улучшить очистку выхлопного газа от окисла азота NO.
4.2 Устранить усложнение выхлопного тракта при очистке от NO.
Технические противоречия:
4.4 Устранить в выхлопе NO можно восстановлением аммиаком, но недопустимо вводить реактив простым способом (в большом избытке), чтобы не выделять из СВТ вредный газ аммиак.
4.5 При высокой точности внесения в выхлопной тракт реактива (газа, жидкости или твёрдого тела), содержащего NН3 или другой восстановитель, нейтрализуется вред выхлопного газа (по NO / NН3), но решение недопустимо усложняет СВТ двигателя.
Выберем п. 4.2 – упростить выхлопной тракт ДВС.
5. Поиск идеи (используя 30 абстрактных изобретательских приёмов) :
5.1 Ресурсы компонентов системы:
5.1.1 ресурс энергии – выхлопной газ имеет температуру 200 - 500оС (он содержит до 70% химической энергии от сжигания бензина), надо бы как-то использовать эту энергию?
5.1.2 вещества – NO в выхлопе, окислитель, вредная примесь; смесь выхлопных газов содержит также СО, СхНуОz – восстановители, но не активные в отношении к NO. Выхлопной тракт СВТ включает трубу, блок с Pt катализатором, глушитель, блок ввода NН3-реагента, выходное отверстие трубы.
5.1.3 информация – имеем справочники восстановителей и окислителей с данными об их потенциалах, нужны также неизвестные данные о кинетике реакций между ними.
5.1.4 производные от этих ресурсов системы – например, вещества бывают присутствующие, отсутствующие и изменённые (в другом агрегатном или энергетически активированном состояниях) или разности энергий, или заменить вещество.
5.1.5 концентрация неких ресурсов, если она доступна и нужна.
5.2 Ресурсы времени:
5.2.1 заранее – требуется проектирование и установка в СВТ блока восстановления для превращения NO в N2.
5.2.2 после – естественно, после выхлопа из ДВС.
5.2.3 пауза – у ДВС при работе пауз нет, выброс газов непрерывен.
5.2.4 ускорить - скорость превращения NO в N2 должна соответствовать скорости выброса NO из ДВС, пока скорость распада NO слишком мала.
5.2.5 замедлить – здесь не нужно.
5.3 Ресурсы пространства:
5.3.1 другое измерение – части (блоки) системы тракта СВТ находятся последовательно в линии, расположить их иначе?
5.3.2 асимметрия – все части СВТ симметричны относительно оси потока выхлопных газов.
5.3.3 матрёшка – что-то в другое вставить: труба в трубе?
5.3.4 вынесение – блок подготовки реактива вынесен из линии потока – это усложняет СВТ.
5.3.5 локализация – расположение частей СВТ не способствует использованию ресурса восстановителя (С, СО, СхНуО) для устранения вредного NO, ввести катализатор этой реакции перед Pt-катализатором?
5.4 Ресурсы структуры:
5.4.1 искпючение – чтобы не усложнять СВТ, нужно убрать блок подготовки и ввода NН3-восстановителя /мочевины.
5.4.2 дробление – приём «матрёшка» подсказывает, что часть СВТ (труба?) где-то должна быть разделена, тогда одну трубу можно вставить в другую (по п.5.3.3 – матрёшка).
5.4.3 объединение – если иметь катализатор для реакции (использовать имеющиеся вещества) NO + CxHyO, CO =(kt2, t=300°C)=> N2 + CO2 + H2O
5.4.4 посредник – неизвестный катализатор (kt2)?
5.4.5 копия – не пригоден в СВТ?
5.5 Условия:
5.5.1 частично – если вводить NH3-реагент, то его надо 0,95 от точного количества.
5.5.2 избыточно – NH3 вредный, его избыток не желателен.
5.5.3 согласовано – ввод NH3-реагента согласовать с переменным объёмом или другим параметром выхлопного газа в СВТ.
5.5.4 динамично – означает изменять ввод количеств реагента.
5.5.5 управляемо – ввод NH3-реагента управляется объёмом выхлопа, переменой мощности ДВС.
5.6 Параметры:
5.6.1 вакцинация – приём подсказывает, что в СВТ должно быть средство против роста выброса NO – им мог быть катализатор (kt2) реакции между самими компонентами выхлопного газа в СВТ.
5.6.2 изоляция – такой катализатор (kt2) уменьшит вред выхлопа.
5.6.3 противодействие – намечаются 3 пути противодейстия вреду выхлопа:
1) добавить блок управляемого ввода NH3-реагента с достаточной точностью для очистки выхлопа;
2) подобрать катализатор реакции между компонентами выхлопа до реакции до-окисления на Pt-катализаторе;
3) поток выхлопа разделить на 2 потока, в одном потоке установить реагент и/или катализатор (kt3) превращения NO→NH3, потом эти потоки соединить на катализаторе kt2.
5.5.4 одноразовость – возможен ли твёрдый NH3-реагент, который производит очистку выхлопа от NO достаточно долго? Вводимые реагенты расходуются – они одноразовые.
5.5.5 инверсия – применение 1 вредного компонента выхлопа для очистки от 2-го по реакции: NO + CxHyO, CO=>... или вместо ввода в СВТ ДВС газа или жидкости (раствора NH3-реагента) ввести «NH3-реагент» в твёрдой форме, которая выдерживает Т в СВТ и быстро выделяет NH3 только при действии NO.
Возможные сочетания приёмов: все 3 пути (по приёму 5.6.3) используют из 5.1.1 Поле тепла СВТ для нейтрализации выхлопа и подготовку СВТ заранее по 5.2.1:
1-й путь – ввода NH3-реагента и добавление блока с катализатором по 5.2.4 опирается на сочетание приёмов 5.1.1 +5.1.2 +5.1.3 +5.5.1 +5.5.3 +5.6.1. Сущность изменений функции: 1) добавление блоков внешнего с реагентом и в линии СВТ блока ввода с катализатором (kt1) и управление вводом NH3-реагента согласовано с мощностью ДВС;
2) добавление в линию СВТ блока с катализатором реакции между компонентами выхлопа: NO + CxHyO, CO =(kt2)=>...;
3) дробление потока на два с помощью трубы в трубе (5.3.3), один поток не изменен, а во внешний поток вставлен блок с реагентом и kt3-катализом превращения NO +X =(kt3)=>NH3 …, далее 2 потока смешиваются для реакции NO +NH3 =(kt1)=>N2 +…
6. Концепции:
6.1 добавление в СВТ блоков внешнего с NH3-реагентом и в линии СВТ блока ввода с катализатором (kt1) реакции: NO +NH3 =(kt1)=>… при вводе NH3-реагента согласовано с мощностью ДВС;
6.2 добавление в линию СВТ блока с катализатором реакции между компонентами выхлопа по реакции: NO + CxHyO, CO =(kt2)=>... – состав и структура kt2 пока не известны (нужны исследования химиков);
6.3 дробление потока на два с помощью трубы в трубе, один поток не изменен, а в другом (внешнем) потоке вставлен блок с реагентом и катализатором превращения NO +X =(kt3)=>NH3 …, далее 2 потока смешиваются и происходит реакция: NO +NH3 =(kt1)=>N2 +… (нужен выбор Х).
6.4 ввести в линию СВТ блок с твёрдым NH3-источником Z, выделяющим NH3 ровно столько, сколько попало в блок NO, Z должен быть термоустойчив, чтобы не выделял NH3-избыток.
Оценка концепций:
6.1 - состоит в усложнении СВТ, и наиболее технически проработана (в ФИПС РФ имеется множество патентов, не рассмотрено усложнение СВТ путём введения обратной связи и не указан катализатор);
6.2 - наиболее простая СВТ и близкая к идеальному решению, но kt2 катализатор пока не отработан и неизвестен;
6.3 - промежуточная по сложности СВТ, но катализаторы kt2 и kt3 пока не разработаны и неизвестны (есть патент этого СВТ без описания катализаторов).
6.4 - в линию СВТ блок с твёрдым NH3-источником Z, устойчивым при температуре в СВТ и реагирующим только при наличии NO (Z пока не найден).
6.5 - Новые нерешенные задачи: необходима разработка катализаторов kt2 и kt3 (нужна помощь специалистов НИИ катализа РАН) и реагентов-нейтрализаторов Х или термоустойчивого Z - NH3-реагента(известны: мочевина Тразл~150°C, ацетилмочевина Тразл~250°C, ацетат мочевины Тразл~250°C, неизвестна термоустойчивость других производных – требуется до 500°C и выделение NH3при действииNO).
Разработана и предложена заявка на патент на пассажирскую пневмотранспортную систему (ППТС) с целью обеспечения безопасного движения в почти любых погодных условиях.
Рассмотрен пример поиска решения задачи с применениями окислительно-восстановительных реакций по нейтрализации газа в системе выхлопа двигателя внутреннего сгорания. Выявлены четыре возможных способа устранения NO из выхлопного газа, а патенты есть на два из этих способов. Для завершения решения требуются консультации специалистов по катализу и поиск термо-устойчивого твёрдого NH3-выделяющего реагента.
Отметим дополнительно, что широкий перевод автомобильного хозяйства на пневмотранспортную систему, позволяет в принципе снять проблему выхлопа любых газов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Альтшуллер изобретательства. Воронеж: Центр-чернозём. кн. изд-во, 1964. О прогнозировании развития ТС. Баку, 1975/ http://www. altshuller. ru/triz/zrts3.asp Альтшуллер Г., осемь мыслей о природе и технике // Шанс на приключение: сб. /сост. А. Селюцкий. Петрозаводск: Изд-во , 1991. резентация программы «Генератор идей». – URL: http://www/TRIZ-tigr. ru , Утёмов творчество: Методы конструирования новых идей: .- изд. 2-е. – Киров: Изд-во МЦИТО, 2014. – 114 с. , и др. Заявка на патент РФ 2011149865, опубл. 27.06.2013 и др. БД патентов по применениям химических эффектов: http://dace. ru (DatabaseApplyofChemicalEffects): новости (3000 реф.), БДХЭ (2250), статьи (10). Эвристика-3: метод. указания к решению химических задач / сост. . Чуваш. ун-т – Чебоксары: 2007, 116 с. и др. Основы теории систем и решения творческих технических задач – /В. Михайлов, А. Михайлов, Е. Андреев, В. Гальетов, В. Желтов. - Чебоксары: Изд. Чуваш. ун-та, 2012. С. 133-135, 156-199, 206-241, 255-284, 325-330. Михайлов эффекты в системе 40 изобретательских приёмов и после него //сб. Три поколения ТРИЗ – СПб: РА ТРИЗ. – 2014. С. 50-54. Малкин С., Михайлов решений творческих задач по алгоритму Генератора идей //там же. С. 55-57. Малкин С., Утёмов творческих задач по алгоритму ГИ для развития личности /ж-л Концепт http://e-concept. ru (2014 ноябрь, Киров), 7 с. , Желтов креативности в инженерном образовании / Инженерное образование – 17, 2015, с.68-75 , О применении ТРИЗ для решения экологических задач //сб. ТРИЗ-фест-2013, - СПб-Киев: МАТРИЗ, 2013, с.26-35. Михайлов изобретателю химические эффекты (пример очистки выхлопа от окиси азота) //сб. Три поколения ТРИЗ – СПб: РА ТРИЗ. – 2015. С.70-75. , Андреев транспортная система /сб. Дорожно-Транспортный Комплекс: состояние, проблемы и перспективы развития – Чебоксары: ВФ МАДИ-ГТУ, 2015. С. 134-141. , Андреев транспортная система – заявка РФ 2011149865, опубл. 27.06.2013, бюлл. 18.
Altshuller G. S. Invention bases. - Voronezh: Center chernozem. book publishing house, 1964./ru Altshuller G. S. About forecasting of development of the Technical systems. - Baku, 1975 /ru /http://www. altshuller. ru/triz/zrts3.asp Altshuller G., Rubin M. Eight thoughts of the nature and equipment. - In book: Chance of an adventure. Col. A. Selyutsky. Petrozavodsk: Publ. house Karelia, 1991. /ru Malkin of S. Presentation of the program Generator Ideas. - URL: http://www/TRIZ-tigr. ru Mikhailov V. A., Gorev P. M., Utyomov V. V. Scientific creativity: Methods of designing of new ideas: manual. - prod. the 2nd. - Kirov: Publ. house of MTsITO, 2014. – 114 pages. /ru Nikitin A., Mikhailov V., Andreev E. - Clain for patent RU2011149865 (publ. 27.06.2013). Mikhailov V. A. &Alls Date basa Apply of patents on Chemical Effects / http://dace. ru Evristica-3: manual to solution of chemical tascs / Mikhailov V. A., ChuvSU, 2007. 116 p. /ru Mikhailov V. A. &Alls Technical system basis and solution of creative technical tascs -/V. Mikhailov, A. Mikhailov, E. Andreev, V. Galyetov, V. Zheltov– Cheboksary: ChuvSU, 2012. P. 133-135, 156-284, 325-330. /ru Mikhailov V. A. Chemical effects in 40 key G. Altshuller and later on him. //coll. Three generation of TRIZ – Sankt-Peterburg: RATRIZ, 2014. P.50-54. /ru Malkin S., Mikhailov V. Search a creative task solution by generator idea algorithm /ibid. p. 55. /ru Malkin S., Mikhailov V., Utemov V. The creative task solution for personal progress /internet journal KONCEPT – november 2014, Kirov: http://e-koncept. ru ,7 p. /ru Mikhailov V., Mikhailov A., Zheltov V. Creative elements in engineer education //Engeneering Education (Novosibirsk) – 17, 2015. P. 68-75. /ru Andreev E., Mikhailov V., Filichev S. On the application of TRIZ for solution of ecological problems. – SPb-Kiev: MATRIZ-SPbSTU, 2013. P.26-35. /eng/rus Mikhailov V. A. Help to inventor the Chemical Effects // coll. Three generation of TRIZ – Sankt-Peterburg: RATRIZ, 2015. P. 70-75. /Rus/ Nikitin A. I., Mikhailov V. A., Andreev E. D. Passenger-and-freight transport system //coll. Road and transport Complex: a state, problems and prospects of development – Cheboksary: VF MADI-GTU, 2015. Page 134-141. /rus. Nikitin A. I., Mikhailov V. A., Andreev E. D., Andreev A. R. Passenger-and-freight transport system Clain RU 2011149865, publ. 27.06.2013. N 18.
Основные понятия классической ТРИЗ, в том числе, противоречия, были определены еще в книгах Г.С. Альтшуллера и с тех пор не подвергались серьезной ревизии и уточнению.
Сегодня ТРИЗ применяется не только в сфере развития технических систем, но и в других сферах человеческой деятельности, в частности, в сферы развития информационных и бизнес-систем. Для успешного применения ТРИЗ в этих сферах требуется согласование понятий, в том числе, противоречий, с понятиями, которые используются специалистами по информационным и бизнес-системам.
Сегодня уже предпринимаются попытки, например, в , провести такую ревизию понятий. Однако пока не решены некоторые проблемы, в том числе,
- Плохо определена связь между административным и техническим противоречием.
- Нет единой модели, описывающей разные виды противоречий, в частности, как соотносится противоречие альтернативных систем с техническим и физическим противоречиями.
- Наименования и структура видов противоречий плохо подходят для использования в других (не-технических) областях.
В данной статье предлагается общая схема понятия противоречий, в которой устранены указанные недостатки.
Требования и ограничения
Понятие «требование» является одним из ключевых в инженерной деятельности. Пожалуй, наиболее зрелые технологии управления требованиями сегодня используются в таких сферах, как системная инженерия и инженерия программного обеспечения .
В системной инженерии сегодня принято различать 2 уровня требований:
- Система рассматривается в виде «чёрного ящика». Требования к системе описывают, что от системы хотят ее стейкхолдеры, а также что необходимо надсистеме, в которую входит рассматриваемая система. Такого рода требования называются требованиями стейкхолдеров .
- Система рассматривается в виде «прозрачного ящика» на различных стадиях жизненного цикла. Соответственно, такие требования включают предположения о том, как система должна быть устроена (состав и структура системы), а также как она должна себя вести (функционирование системы). Такого рода требования называются системными требованиями .
Очевидно, что системные требования связаны с требованиями стейкхолдеров. По сути, системные требования описывают способы, посредством которых в системе должны реализовываться требования стейкхолдеров.
Особый вид требований в системной инженерии – это ограничения, которым должна удовлетворять система. Широко применяемое в ТРИЗ понятие «нежелательный эффект» полностью соответствует понятию «ограничение».
Пример.
Компания «К» внедрила систему электронного документооборота. Данная система позволила планировать сроки обработки и длительность маршрута каждого документа в подразделениях компании «К». Для этого в компании «К» для каждого вида документа установлены нормативные сроки его обработки в подразделении.
Однако в деятельности компании «К» присутствуют документы, которые поступают от внешних контрагентов «А» (накладные, счета и т.п.), а также документы, маршрут обработки которых предполагает их передачу контрагентам «А» и последующий возврат в компанию «К» (коммерческие предложения, договоры, проектная документация и т.п.).
Одно из возможных решений – это согласование с контрагентами «А» для определенных видов документов нормативных сроков их обработки у контрагента. Но не все контрагенты согласны такие нормативы устанавливать и соблюдать. В некоторых случаях согласование нормативов невозможно из-за сроков или по каким-либо другим причинам.
В приведенном выше примере можно выделить следующие требования стейкхолдеров:
- Руководство компании «К» хочет, чтобы в системе документооборота устанавливались сроки и маршруты обработки каждого документа.
- Руководство контрагента «А» хочет, чтобы документы компании «К» обрабатывались без нормативов.
Системные требования
:
(СТ1) Для каждого вида документа и каждого вида обработки в подразделениях компании «К» должны быть установлены сроки выполнения.
Системное ограничение
:
(СО1) Для документов, обрабатываемы контрагентами «А», сроки выполнения обработки документов у контрагента неизвестны.
Общая схема противоречий
Административное противоречие
Известно следующее определение административного противоречия (АП): «нужно что-то сделать, а как сделать – неизвестно…» .
В рамках предлагаемой схемы АП может быть представлено как требование и неизвестный (или не определенный) способ его выполнения. Схема административного противоречия представлена на следующем рисунке.
Из представленной схемы следует, что АП описывает неопределенную изобретательскую ситуацию. Для ее уточнения и выявления противоречия необходимо выбрать известный способ выполнения требования.
Например, в приведенном выше примере требование СТ1 (для каждого вида документа и каждого вида обработки в подразделениях компании «К» должны быть установлены сроки выполнения) не может быть реализовано, для случая, когда документ обрабатывается контрагентом. В этом случае имеет место ограничение СО1 (для документов, обрабатываемы контрагентами «А», сроки выполнения обработки документов у контрагента неизвестны).
В рассматриваемом примере административное противоречие может быть определено следующим образом:
Как реализовать требование СТ2 (в системе документооборота нужно установить в нормативный срок обработки документа у контрагента «А»)?
Техническое противоречие
В ТРИЗ техническое противоречие (ТП) определено как …взаимодействия в системе, состоящие, например, в том, что полезное действие вызывает одновременно и вредное. Или – введение (усиление) полезного действия, либо устранение (ослабление) вредного действия вызывает ухудшение (в частности, недопустимое усложнение) одной из частей системы или всей системы в целом .
В рамках предлагаемой схемы ТП может быть представлено следующим образом: известный способ (или его изменение) приводит к возникновению противоречия между 2-мя требованиями. Схема ТП представлена на следующем рисунке.
Из схемы следует, что ТП описывает отношение между способом и противоречивыми требованиями. Соответственно, мы можем использовать для обозначения данной структуры термин «противоречие требований». Данный термин уже используют М. Рубин и В. Кияев в .
Пример.
Для реализации требования СТ2 (в системе документооборота нужно установить в нормативный срок обработки документа у контрагента «А») можно использовать следующий известный способ: согласовать с контрагентом «А» нормативный срок обработки документа. Однако использование данного способа нарушит одно из требований стейкхолдеров (руководство контрагента «А» хочет, чтобы документы компании «К» обрабатывались без нормативов).
В этом случае мы получаем противоречие:
Если
согласовать нормативные сроки обработки документов с контрагентом «А»,
То
(+) мы сможем реализовать требование СТ1 (в системе документооборота нужно установить в нормативный срок обработки документа у контрагента «А»),
Но
(-) не реализуем требование стейкхолдера (руководство контрагента «А» хочет, чтобы документы компании «К» обрабатывались без нормативов).
Разделение противоречия на ТП1 и ТП2 в АРИЗ в рамках предлагаемой схемы противоречий представляет собой операцию со способом: изменение способа порождает ТП1, не изменение способа – ТП2. В частном случае, это может быть использование и не использование известного способа.
Например, в системе документооборота ТП1 может быть сформулировано так, как указано выше, а ТП2 – следующим образом:
Если
Не согласовать нормативные сроки обработки документов с контрагентом «А»,
То
i>(+) мы обеспечиваем реализацию требования стейкхолдера (руководство контрагента «А» хочет, чтобы документы компании «К» обрабатывались без нормативов).
Но
(-) мы не сможем реализовать требование СТ1 (в системе документооборота нужно установить в нормативный срок обработки документа у контрагента «А»).
Противоречие альтернативных систем
Понятие альтернативного технического противоречия (АТП) или противоречия альтернативных систем предложено В. Герасимовым и С. Литвиным в методе объединения альтернативных систем в надсистему, описанном в . В соответствии с этим методом пара технических противоречий формулируется в соответствии со следующим шаблоном :
АТП1
: Если система реализована в виде базовой системы, то ее достоинством является (указать), но при этом имеется недостаток (указать).
АТП2
: Если система реализована в виде (указать название альтернативной системы), то ее достоинством является (указать устраненный недостаток базовой системы), но при этом имеется недостаток (указать).
В рамках предлагаемой схемы альтернативное техническое противоречие (АТП) может быть представлено следующим образом.
В ТРИЗ физическое противоречие (ФП) определено следующим образом:
… часть рассматриваемой системы должна находиться в таком-то физическом состоянии, чтобы удовлетворять одному требованию задачи, и должна находиться в противоположном состоянии, чтобы удовлетворять другому требованию задачи .
М. Рубин и В. Кияев в предложили новое наименование для ФП – противоречие свойств (ПС). Их определение выглядит так:
формулировка противоположного состояния того или иного свойства одного элемента системы, необходимое для реализации противоположенных требований к системе.
Другими словами, для определения ФП (ПС) необходимо выделить элемент, который должен обладать противоположными свойствами, чтобы удовлетворить противоречивым требованиям. Очевидно, что объект с противоположными свойствами – это элемент, который входит в состав способа, который был выбран в АП и рассматривался в ТП.
В рамках предлагаемой схемы ФП (ПС) может быть представлено следующим образом:
Например, в противоречии, сформулированном для системы документооборота, мы рассматриваем способ (согласовать нормативные сроки обработки документов с контрагентом «А»). Объект, который лежит в основе противоречия – это срок обработки документа у контрагента «А».
Соответственно, противоречие свойств можно сформулировать следующим образом:
нормативный срок должен быть установлен
, чтобы мы сможем реализовать требование СТ1 (в системе документооборота нужно установить в нормативный срок обработки документа у контрагента «А»),
И
нормативный срок не должен быть установлен
, чтобы мы смогли реализовать требование стейкхолдера (руководство контрагента «А» хочет, чтобы документы компании «К» обрабатывались без нормативов).
В случае АТП элемент является частью способа, реализованного в базовой системе.
Заключение
Предлагаемая общая схема противоречия отличается от существующих в ТРИЗ определений тем, что для описания противоречия используются понятия «требование» и «способ реализации требований».
Использование в схеме противоречия способа реализации требований позволяет установить связь между административным и техническим противоречием. На уровне административного противоречия нам не известен (либо не выбран) способ реализации требования. Выбирая способ, решатель переходит от административного к техническому противоречию (противоречию требований). Затем, выбирая элемент способа, решатель переходит от ТП (противоречия требований) к ФП (противоречию свойств).
Использование в структуре модели противоречия требований позволяет интегрировать ТРИЗ с достаточно развитыми в различных сферах деятельности технологиями управления требованиями. В перспективе данная схема противоречий и методы работы с ними могут быть интегрированы в системы управления требованиями (RMS) .
Литература
- Рубин М.С., Кияев В.И. Основы ТРИЗ и инновации. Применение ТРИЗ в программных и информационных системах: Учебное пособие. 2013.
- ISO/IEC 15288:2002. System Engineering. System Life-Cycle Processes.
- Software Engineering Body of Knowledge, IEEE, 2004
- Альтшуллер Г.С. Найти идею, Введение в теорию решения изобретательских задач, Петрозаводск, Скандинавия, 2003
- Альтшуллер Г.С. АРИЗ – значит победа. В сб. Правила игры без правил / Сост.: А.Б. Селюцкий, Петрозаводск, Карелия, 1989.
- Альтшуллер Г.С. Алгоритм решения изобретательских задач АРИЗ-85В. 1985.
- Герасимов В.М., Литвин С.С. Зачем технике плюрализм? Развитие альтернативных технических систем путем их объединения в надсистему. Ленинград. Журнал ТРИЗ, №1, 1990.
- Альтшуллер Г.С., Селюцкий А.Б. Крылья для Икара. Как решать изобретательские задачи. Петрозаводск, Карелия, 1980.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОТИВОРЕЧИЯ
Попытаемся решить задачу о дождевателе обычными приемами. Нужно втрое увеличить размах крыльев; что ж, сделать трехсотметровую ферму технически вполне осуществимо. Что мы при этом проиграем? Возрастет вес. Если размах крыльев увеличить втрое, ферма станет тяжелее в 27 раз.
У машин и механизмов (вообще у технических объектов) есть несколько важнейших показателей, характеризующих степень их совершенства: вес, габариты, мощность, надежность и др. Между этими показателями существуют определенные взаимозависимости. Скажем, на одну единицу мощности требуется определенный вес конструкции. Чтобы увеличить одии из показателей уже известными в данной отрасли техники путями, приходится «платить» ухудшением другого.
Вот типичный пример из авиаконструкторской практики: «Увеличение в 2 раза площади вертикального оперения одного из типов самолетов уменьшило амплитуду колебаний самолета всего лишь на 50%. Но это, в свою очередь, повысило восприимчивость самолета к порывам ветра, увеличило лобовое сопротивление, утяжелило конструкцию самолета, -что выдвинуло дополнительные сложные задачи К
Конструктор, учитывая конкретные условия, выбирает наиболее благоприятное сочетание характеристик: что-то выигрывает, а что-то проигрывает. «Когда вы обдумываете решение и технические условия,- говорит известный авиаконструктор О. Антонов,- которые, может быть, и не будут никогда записаны на бумаге, выделите самое главное. Только в крайнем случае, если что-нибудь не удается выполнить, идите к допустимому. Допустимое - это некоторое невыполнение заданных технических условий, так сказать, компромиссное решение. Предположим, конструируя самолет, вы выполните требования по грузоподъемности и скорости, но у вас немножко не выйдет с длиной разбега. Тогда вы начнете взвешивать эти три важных требования и, возможно, несколько поступитесь разбегом - пусть разбег будет не 500, а 550 метров, зато все остальные качества будут достигнуты. Это как раз то, что допустимо».
Академик А. Н. Крылов в своих воспоминаниях рассказывает о таком эпизоде. В 1924 году ученый работал в составе советско-французской комиссии, осматривавшей в гавани Бизерты русские военные корабли, уведенные туда Врангелем. Здесь бок о бок с русским эсминцем стоял эсминец французский - примерно того же возраста и размеров. Разница в боевой мощи кораблей была настолько велика, что адмирал Буи - председатель комиссии- не выдержал и воскликнул: «У вас пушки, а у нас пукалки! Каким образом вы достигли такой разницы в вооружении эсминцев?» Крылов ответил так: «Взгляните, адмирал, на палубу: кроме стрингера, в котором вся крепость, все остальное, представляющее как бы крышу, проржавело почти насквозь, трубы, их кожухи, рубки и т. п.- все изношено. Посмотрите на ваш эсминец, на нем все как новенькое, правда, наш миноносец шесть лет без ухода и без окраски, но не в этом главная суть. Ваш миноносец построен из обыкновенной стали и на нем взято расчетное напряжение в 7 кг на 1 мм2, как будто бы это был коммерческий корабль, который должен служить не менее 24 лет. Hauf построен целиком из стали высокого сопротивления, напряжение допущено в 12 кг и больше - местами по 23 кг/мм2. Миноносец строится на 10-12 лет, ибо за это время он успевает настолько устареть, что не представляет более истинной боевой силы. Весь выигрыш в весе корпуса и употреблен на усиление боевого вооружения, и вы видите, что в артиллерийском бою наш миноносец разнесет вдребезги, по меньшей мере, четыре, т. е. дивизию ваших, раньше, чем они приблизятся на дальность выстрела своих пукалок». «Как это просто!» - сказал адмирал»2.
Искусство конструктора во многом зависит от умения определить, что надо выиграть и чем можно за это поступиться. Изобретательское творчество состоит в том, чтобы найти такой путь, при котором уступки вообще не требуется (или она непропорционально мала по сравнению с получаемым результатом).
Предположим, для ускорения погрузки-разгрузки на необорудованных аэродромах необходимо создать портативное подъемное устройство, монтируемое на тяжелых транспортных самолетах. Такую задачу вполне можно решить уже имеющимися в современной технике средствами. Основываясь на общих принципах конструирования подъемных устройств и используя, скажем, опыт создания легких автокранов, квалифицированный конструктор в состоянии спроектировать требуемое устройство. Понятно, что это увеличит в той или иной мере «мертвый вес самолета. Выигрывая в одном, конструктор одновременно проигрывает в чем-то другом. Зачастую с этим можно смириться, и задача конструктора сводится к тому, чтобы побольше выиграть и поменьше проиграть.
Необходимость в изобретении возникает в тех случаях, когда задача содержит дополнительное требование: выиграть и… ничего не проиграть. Например, подъемное устройство должно быть достаточно мощным и в то же время не должно утяжелять самолет. Решить эту задачу известными приемами невозможно: даже лучшие передвижные краны имеют немалый вес. Здесь нужен новый подход, нужно изобретение.
Таким образом, обычная задача переходит в разряд изобретательских в тех случаях, когда необходимым условием ее решения является устранение технического противоречия.
Нетрудно создать новую машину, игнорируя технические противоречия. Но тогда машина окажется неработоспособной и нежизненной.
Всегда ли изобретение состоит в устранении технического противоречия?
Надо сказать, что существуют два понятия «изобретение»- правовое (патентное) и техническое. Правовой понятие различно в разных странах, к тому же оно чаете! меняется.
Правовое понятие стремится возможно точнее отразить границы, в которых в данный момент экономически целесообразна юридическая защита новых инженерных конструкций. Для технического же понятия важны не столько эти границы, сколько сердцевина изобретения, его исторически устойчивая сущность.
С точки зрения инженера, создание нового изобретения всегда сводится к преодолению (полному или частичному) технического противоречия.
Возникновение и преодоление противоречия - одна из главных особенностей технического прогресса. Анализируя развитие мельниц, Маркс писал в «Капитале»: «Увеличение размеров рабочей машины и количества ее одновременно действующих орудий требует более крупного двигательного механизма… Уже в XVIII веке была сделана попытка приводить в движение два бегуна и два же постава посредством одного водяного колеса. Но увеличение размеров передаточного механизма вступило в конфликт с недостаточной силой воды…»
Это яркий пример технического противоречия: попытка улучшить какое-либо свойство машины вступает в конфликт с другим ее свойством.
Многочисленные примеры технических противоречий приводит Фридрих Энгельс в статье «История винтовки» В сущности, вся эта статья представляет собой анализ внутренних противоречий, определяющих историческое развитие винтовки. Энгельс показывает, например, что с» момента появления винтовки и до изобретения винтовок, заряжающихся с казенной части, главное противоречие состояло в том, что для усиления огневых свойств требовалось укорачивание ствола (заряжение производилось со ствола и при коротком стволе облегчалось), а для усиления «штыковых» свойств винтовки нужно было, наоборот, удлинять ствол. Эти противоречивые качества были соединены в винтовке, заряжающейся с казенной части.
Вот несколько задач из разных отраслей техники, содержащих технические противоречия. Задачи эти не придуманы автором, а взяты из газет, журналов, книг.
Горное дело
С давних пор для изоляции района подземного пожара шахтеры возводят перемычки - Специальные стенки из кирпича, бетона или брусчатки. Сооружение перемычек сильно осложняется, если в шахте выделяются газы. В таком случае перемычку нужно делать герметичной, тщательно заделывать каждую щелку, и все это под постоянной угрозой взрыва. Чтобы уберечься, горняки стали сооружать по две перемычки. Первую - временную- кладут наспех. Она пропускает воздух и служит лишь баррикадой, под прикрытием которой можно, уже не торопясь, сооружать вторую, постоянную. Таким образом, горняки выиграли в безопасности, но проиграли в трудоемкости.
Химическая технология
При повышении давления скорость синтеза увеличивается и, следовательно, растет производительность колонны синтеза. Но одновременно увеличивается расход энергии на сжатие данного количества газа: по конструктивным соображениям приходится ограничивать размеры аппаратов и, следовательно, их мощность. Увеличиваются растворимость $зотоводородной смеси в жидком аммиаке и ее потери.
Электроника
Современная электроника столкнулась с серьезной дилеммой: с одной стороны, непрерывно повышаются требования к рабочим характеристикам и, соответственно, усложняются электронные системы; с другой стороны, все более ужесточаются ограничения габаритов, веса и потребляемой мощности… Такое же, а может быть, и большее значение имеют проблемы надежности, вызванные возросшей сложностью аппаратуры.
Радиотехника
У антенны радиотелескопа есть две основные характеристики- чувствительность и разрешающая способность. Чем больше площадь антенны, тем выше чувствительность телескопа и тем дальше он может заглянуть в глубины Вселенной. Разрешающая способность - это «острота зрения» телескопа. Она показывает, насколько хорошо аппарат различает два разных источника излу-
чения, находящихся на небольшом угловом расстоянии друг от друга. Кроме того, большой «радиоглаз» должен охватывать своим взглядом возможно большую часть неба. Для этого антенна должна быть подвижной. Но перемещать громоздкую антенну, сохраняя ее форму неизменной с точностью до миллиметров, очень трудно. Пока не разрешено это противоречие, конструирование телескопов идет по двум направлениям: либо строятся очень большие, но неподвижные антенны, либо подвижные и относительно небольшие.