§ 5. Методы выявления и разрешения противоречий в технических системах Эволюционный синтез технических системПроектирование новых технических систем (ТС) ведется, как правило, путем усовершенствования известных прототипов за исключением редких случаев, когда предлагаются кардинально новые решения. Новая ТС в значительной степени состоит из аналогичных подсистем, характеризуется показателями качества прототипа и выполняет функции, присущие исходной системе. Таким образом, при разработке ТС имеет место эволюционный синтез – последовательная модернизация исходной системы.Прототип (от греч. protos – первый и typos – отпечаток, оттиск) – технический объект, являющийся базовым для проектирования (прообразом) нового объекта, во многом передающим ему свои свойства (пример: прототипом автомобиля ВАЗ-2101"Жигули" является Fiat 124R, прототипом ВАЗ-2172 "LADA Priora" – ВАЗ-2112 "LADA 112").Модернизация обусловлена развивающимися потребностями человека и общества, связанными с улучшением показателей качества ТС и направленными на улучшение комфортности существования, развитие физических и интеллектуальных способностей, удовлетворение духовных интересов (пример: в ходе модернизации автомобиля в нём появились подушки безопасности, встроенные аудиосистемы, подключаемые системы спутниковой навигации и т.п., что повысило его комфортность). В основе эволюционного синтеза лежит устранение рассогласования между требуемым функционированием и имеющейся структурной схемой ТС. Формы устранения этого рассогласования связаны с разрешением технических противоречий, которые заключаются в одновременном улучшении и ухудшении различных показателей качества системы, обусловленных изменением некоторого параметра подсистемы.Техническое противоречиеНет ни одного технического новшества, введение которого не повлекло бы за собой кроме положительного эффекта еще и эффект нежелательный. Улучшение какого-либо показателя качества ТС, как правило, негативно сказывается на других (примеры: переход на энергосберегающие люминесцентные лампы делает средства освещения дороже и порождает проблему их утилизации; увеличение мощности двигателя внутреннего сгорания влечёт за собой увеличение его массогабаритных характеристик; увеличение количества углерода в стали улучшает ее прочностные качества, но повышает хрупкость; увеличение грузоподъемности транспортного средства увеличивает его транспортную эффективность, но ухудшает маневренные качества; улучшение основных показателей качества, как правило, ведёт к увеличению стоимости технической системы). Для определения того, предпочтительно увеличение или уменьшения показателя качества, используют понятие характера улучшаемости.^ Характер улучшаемости – предпочтительность изменения значений существенных показателей качества системы в ту или иную сторону. Показатель качества по характеру улучшаемости может быть максимизируемым, если предпочтительно его увеличение, (примеры: коэффициент полезного действия, ресурс) или минимизируемым, если предпочтительно его уменьшение, (примеры: себестоимость, масса).^ Показатель качества технической системы – параметр одного или нескольких свойств системы, составляющих её качество, рассматриваемый применительно к определенным условиям создания системы, её эксплуатации или потребления (примеры: максимальное разрешение, максимальный размер бумаги, масса и др. для сканера; размер экрана, максимальное разрешение, время отклика, яркость, контрастность, максимальный угол обзора для монитора).Характер улучшаемости – понятие относительное. В различных ситуациях проектирования один и тот же показатель качества может принимать различные значения характера улучшаемости (пример: показатель качества "масса" для пульта дистанционного управления является минимизируемым, а для утюга или пресса – максимизируемым). В зависимости от диапазона существующих значений один и тот же показатель качества может быть максимизируемым или минимизируемым (пример: при длине мобильного телефона 200 мм масса она является минимизируемым показателем качества, при 50 мм – максимизируемым). ^ Техническое противоречие – одновременное улучшение и ухудшение различных показателей качества ТС, обусловленное некоторыми действиями проектировщика, направленных на изменение параметров элементов системы (примеры: при уменьшении массогабаритных характеристик вакуумного насоса объемного действия, снижается его быстрота действия; при увеличении размера рабочей зоны станка увеличивается максимальный размер обрабатываемой детали, но увеличиваются его массогабаритные характеристики; при увеличении длины взлётно-посадочной полосы аэродрома повышается его универсальность, но увеличивается площадь).Выявление физических противоречийТехническое противоречие характеризуется показателями качества ТС, которые не обязательно являются физическими параметрами (примеры: стоимость, универсальность, эргономичность, серийность). Разрешение технических противоречий связано с выявлением и разрешением физических, которые характеризуется физическими параметрами, описывающие подсистем.^ Физическое противоречие – это взаимоисключающие требования, предъявляемые к элементу системы, состоящие в том, что один из характеризующих его параметров должен иметь два различных значения. Такой параметр называют узловым, а характеризуемый им элемент – узловым элементом.Для выявления возможных физических противоречий граф связей параметров исследуется на влияние поставленных исходных целей на существенные показатели качества ТС. Для этого в нем выделяются деревья целей, исходные цели которых определены целями проектирования и характерами улучшаемости основных показателей качества системы. На рис. 1 изображены два абстрактных дерева целей, в результате анализа которых выявлено два физических противоречия. Узловые параметры отмечены серым цветом.Рис. 1 – Абстрактный пример выявления физических противоречий путём анализа деревьев целей проектирования ТС Рис. 2 – Обозначения физического противоречия в дереве целейПоследовательность выявления физических противоречий: построение иерархической структуры ТС; построение графа связей параметров ТС; построение одного или нескольких деревьев целей проектирования ТС; определение на основе деревьев целей физических противоречий в виде узловых элементов и параметров.Разрешение физических и технических противоречийРазрешение технического противоречия – его устранение путем разрешения хотя бы одного физических противоречий, лежащего в его основе. Чем больше физических противоречий будет разрешено, тем больше путей для разрешения технического противоречия. ^ Разрешение физического противоречия – либо изменение узлового объекта так, чтобы он имел два значения узлового параметра (рис. 3а), либо изменение (рис. 3б) или удаление (рис. 3б) одного из требований. Разрешение физического противоречия представляет собой нетривиальную трудно формализуемую творческую задачу. Разрешение физического противоречия, как правило, лежит в основе изобретения. а) б) в) Рис. 3 – Разрешение физического противоречияОсновные принципы разрешения физических противоречий: разделение значений узловых параметров в пространстве; разделение значений узловых параметров во времени. ^ Разделение значений узловых параметров в пространстве В узловом элементе выделяются две части, каждая из которых имеет свое значение узлового параметра.^ Примеры разрешения физических противоречий в пространстве: Техническая система Узловой параметр Решение Растровый электронный микроскоп Диаметр апертуры Для увеличения глубины фокуса изображения при сохранении потребляемой мощности откачных средств осуществляют их раздельную откачку камеры объектов и пучкового тракта. ^ Электрический кабель Диаметр жилы Для увеличения максимальной пропускаемой силы тока и сохранения максимально допустимого радиуса изгиба (гибкости кабеля) токоведущие жилы изготовляют из множества жилок малого диаметра сечения. ^ Дисковая пила Твёрдостьзубьев Для увеличения ресурса пилы и во избежание увеличения стоимости из твёрдого сплава изготавливают только насадки, а не диск целиком. Разделение значений узловых параметров во времени. В узловом элементе выделяются разные моменты времени, в которые узловой параметр принимает разные значения.^ Примеры разрешения физических противоречий в пространстве: Техническая система Узловой параметр Решение Монитор Яркостьпикселя Для увеличения яркости экрана во избежание увеличения потребляемой мощности монитор переходит в режим энергосбережения. Привод Длина стержня Для возможности увеличения и уменьшения размера рабочего элемента привода используется пьезострикционный материал. Источник: Львов Б.Г. Основы теории технических систем: Учеб. пособие. – М.: МИЭМ, 1991. – 135.