Структурный анализ систем. Вепольный анализ. ТРИЗ

Структурный анализ систем. Вепольный анализ. ТРИЗ Владимир Петров Эта книга представляет собой впервые созданный учебник по вепольному анализу.Материал легко и быстро усваивается.В книге приводится около 250 примеров и более 60 задач (из них 102 примера и 42 задачи для самостоятельного разбора), более 100 иллюстраций, более 100 физических эффектов.Книга рассчитана на широкий круг читателей и будет особенно полезна тем, кто хочет быстро получать новые идеи. Структурный анализ систем Вепольный анализ. ТРИЗ Владимир Петров © Владимир Петров, 2019 ISBN 978-5-4493-9970-0 Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero Владимир Петров Структурный анализ систем: Вепольный анализ. Учебник.ТРИЗ. Это книга представляет собой впервые созданный учебник по вепольному анализу. Материал легко и быстро усваивается. В книге приводится около 250 примеров и более 60 задач (из них 102 примера и 42 задачи для самостоятельного разбора), более 100 иллюстраций, более 100 физических эффектов. Книга рассчитана на широкий круг читателей и будет особенно полезна тем, кто хочет быстро получать новые идеи. Посвящение Работа посвящается светлой памяти учителя, коллеги и другаГенриха Альтшуллера     Владимир Петров     [email protected] Благодарности Я премного благодарен моему учителю, коллеге и другу Генриху Альтшуллеру, прежде всего за то, что он создал основу теории развития технических систем – законы их развития, за то, что имел счастье общаться и обсуждать с ним некоторые материалы данной книги. Хочу выразить глубокую благодарность за ценные замечания, примеры и предложения при работе над этой книгой моему коллеге и другу Борису Голдовскому, Мастеру ТРИЗ, Генеральному конструктору подводной техники, Лауреату премии Правительства РФ в области науки и техники, Почетному судостроителю, ветерану-подводнику (Нижний Новгород, Россия). Вепо?льный анализ …вепо?ль является схемой минимальной ТС: он включает изделие, инструмент и энергию (поле), необходимую для воздействия инструмента на изделие. Любую сложную техническую систему можно свести к сумме веполей.[1 - Альтшуллер Г. С. Найти идею: введение в теорию решения изобретательских задач / Г. С. Альтшуллер; Отв. ред. А. К. Дюнин. – Новосибирск: Наука. Сиб. отд., 1986. – 209 с.]     Г. С. Альтшуллер Введение Для анализа и синтеза систем используется моделирование, которое является одной из составляющих талантливого мышления[2 - Петров Владимир. Талантливое мышление: ТРИЗ/ Владимир Петров. [б. м.]: Издательские решения, 2018. – 280 с. – ISBN 978-5-4493-5785-4]. Существуют разные способы моделирования, например, вещественное, математическое, компьютерное мысленное и т. д. В данной книге будет рассматриваться только мысленное моделирование, помогающее решать сложные (изобретательские) задачи. Напомним, что изобретательская задача – это задача содержащая противоречие[3 - Петров Владимир. Решение нестандартных задач: ТРИЗ / Владимир Петров. [б. м.]: Издательские решения, 2018. – 218 с. – ISBN 978-5-4493-6332-9], являющееся одним из важных понятий теории решения изобретательских задач (ТРИЗ). Моделированием структуры системы в ТРИЗ занимаются функциональный и вепо?льный анализ. Вепо?льный анализ предназначен для представления исходной системы в виде определенной (структурной) модели и преобразования ее для получения структурного решения, устраняющего недостатки. Глава 1. Понятия вепо?льного анализа Структурный вещественно-полевой (вепо?льный) анализ – раздел ТРИЗ, изучающий и преобразующий структуру систем. Вепо?льный анализ разработан Г. С. Альтшуллером. Вепо?льный анализ – это язык схем, позволяющий представить исходную систему в виде определенной (структурной) модели. С помощью специальных правил выявляются свойства этой системы. Затем по конкретным закономерностям преобразовывают исходную модель задачи и получают структуру решения, которое устраняет недостатки исходной системы. Статистический анализ решений показал, что для повышения эффективности систем их структура должна быть определенной. Модель такой структуры называется веполем. Вепо?ль – модель минимально управляемой системы, состоящей из двух взаимодействующих объектов и их взаимодействия. Взаимодействующие объекты условно названы веществами и обозначаются В и В , а само взаимодействие называется полем и обозначается П. Под «веществом» будем понимать любой объект, начиная с материала, его структуры, молекул, атомов, до самых сложных систем, например, космическая станция. В информационных системах это может быть элемент или данные. Поле может представлять собой любое действие или взаимодействие, например, энергию, силу или информацию. В информационных системах это может быть алгоритм. Веполь изображается схемой (1.1). Термин ВеПоль произошел от слов «Вещество» и «Поле». Вепольный анализ включает в себя определенные правила и тенденции. Эти тенденции подчиняются закону увеличения степени вепольности, который будет описан ниже. Вепольный анализ предназначен для: – представления исходной структуры задачи (системы); – определения структурного решения задачи; – выявления перспективы развития структуры системы. Если В  – изделие, В  – инструмент, «обрабатывающий» изделие В , а П – поле (энергия, сообщаемая инструменту), то веполь будет иметь вид (1.2). Пример 1.1. Разрезание хлеба Продемонстрируем веполь на примере нарезки хлеба. Хлеб В разрезают ножом В , прикладывая силу руки П (поле механических сил). В данном случае П  – линейное перемещение ножа и давление. Этот же пример можно представить и другой вепольной схемой (1.3): нож В действует на хлеб В через механическое поле П , представляющее собой давление ножа на хлеб или трение между ножом и хлебом. Пример 1.2. Информационная система Если В  – элемент (программа) 1, В  – элемент (программа) 2, а П  – поле (сигнал – информация), то вепольную модель можно представить схемой (1.4). Эту же формулу можно представить и так: В  – данные (информация) 1, В  – данные (информация) 2, а П  – алгоритм. Введем понятие «отзывчивости». Отзывчивость в вепольном анализе – это свойство веществаВ реагировать (отзываться) на воздействие поля П, т. е. выполнять необходимое (заданное) действие или веществаВ генерировать необходимое поле П. Приведем примеры «отзывчивых» веществ и полей: 1. Ферромагнитное вещество отзывчиво на магнитное поле. 2. Тензорезистор отзывчив на деформацию, давление, напряжение, перемещение (механическое поле). 3. Материал с памятью формы отзывчив на тепловое поле. 4. Флуоресцентные и фоточувствительные вещества отзывчивы на рентгеновское излучение. 5. Поляризационная пластина отзывчива на оптическое поле. 6. Фотодиод отзывчив на оптическое поле. 7. Жидкие кристаллы отзывчивы на тепловое и электрическое поле. 8. И т. д. Глава.2. Основные обозначения В данном разделе представлены основные обозначения вепольного анализа. Связь между элементами обозначается линией. На схеме (2.1) изображены вещества В , В связанные между собой каким-то образом (не всегда известным), а на схеме (2.2) показана связь П и В . Действие (воздействие)обозначается стрелкой. Воздействие инструмента В на изделие В может быть изображено схемой (2.3). Стрелка указывает направление действия В на В Схема (2.4) показывает действие поля П на вещество В . Может быть и обратное действиеВ на В показано на схеме (2.5). или В на П  – схема (2.6). Взаимодействиеобозначается двухсторонней стрелкой. Схема (2.8) описывает взаимодействие поля и вещества П и В . Действия могут быть неэффективными или недостаточными. Они обозначаются прерывистой линией, как показано на схеме (2.9) и (2.10). Избыточные действия обозначаются двумя параллельными линями (стрелками). Эти действия показаны на схеме (2.11) и (2.12). Вредные, нежелательные действия обозначаются волнистой линией. Эти действия показаны на схеме (2.13) и (2.14). Знак перехода от исходной вепольной модели к необходимой обозначается двойной стрелкой, например как показано в (2.15). Глава 3. Виды вепольных систем 3.1. Вепольные модели для полей Можно представить три вида вепольных моделей: – генерирование поля; – преобразование поля; – видоизменения поля. Генерирование поля Генерирование поля веществом представлено схемой (3.1). При помощи этой схемы могут быть описаны явления, происходящие, например, в: магните, радиоактивном веществе, радио, электрете (электрический аналог постоянного магнита), электрической батарее, веществе с запахом и т. п. Вместо цифр у веществ и полей могут быть буквенные обозначения или смешанные, например, магнит в схеме (3.1) можно обозначить, как В , П или В , П (В П ); радиоактивное вещество – В , П ; радио – В , П ; электрет – В , П и т. д. Приведем пример из области информационных систем. Пример 3.1. Корректирующие коды При записи, воспроизведении или передаче данных возникают ошибки под влиянием помех. Для обнаружения и исправления ошибок используют корректирующие коды. При записи или передаче в полезные данные добавляют избыточную информацию (контрольное число), а при чтении или приеме контрольное число используют для обнаружения и исправления ошибок. При проверке определяют контрольную сумму. Она может использоваться, например, для детектирования компьютерных вирусов. Необходимо проверить данные В – левая часть схемы (3.2). При записи добавляют контрольное число В . По контрольной сумме П определяют правильность данных В (нет ли ошибки или вируса). Где: В —данные 1; В  – данные 2 (избыточная информация – контрольное число); П  – контрольная сумма. Преобразование поля Преобразование полявеществом представлено на схеме (3.3). Вещество преобразует один вид поля (энергии или информации) П в другойП вид. Это два качественно разных поля. Примечание. Принято входное поле (в данном случае П ) располагать над веществом В, а выходноеП ниже вещества В. Преобразование энергии могут осуществлять, например: генератор, двигатель, электродвигатель, измерительный элемент (датчик) и т. п. Пример 3.2. Генератор Генератор электрического токаВ преобразует вращательное полеП (полемеханических сил), которое может быть изображено и как П , в электрическое полеП или П . Веполь будет иметь вид (3.4). Пример 3.3. Электродвигатель У электродвигателя В – обратное преобразование – электрическое полеП превращается в механическоеП поле вращения. Веполь будет иметь вид (3.5). Преобразование информации. Пример 3.4. Телефон В телефоне – звуковая информация (акустическое поле П ) преобразуется в электрическую П , и обратное преобразование – акустического поля П в электрическую П , эти преобразования осуществляют микрофон и наушник, соответственно; радио преобразует электромагнитные волны (электромагнитное поле П .) в звуковые (акустическое поле П ). Видоизменение поля Видоизменение поля веществом представлено схемой (3.6). Вещество изменяет характеристики одного и того же поля (энергии или информации) из П в П . Вид поля качественно не меняется, поэтому поля можно изобразить как П , П , тогда схему веполя (3.3) можно представить в виде (3.6). Видоизменение энергии могут осуществлять, например, трансформатор, транзистор, усилитель, выпрямитель, преобразователь частоты, аналого-цифровой преобразователь (преобразователь аналог-код), призма, линза и т. п. Видоизменение информации могут осуществлять, например, преобразователи кодов, преобразователь информации (например, десятичной в двоичную и обратно),компьютер и т. п. 3.2. Виды вепольных систем для измерения и обнаружения Существует класс задач, в которых необходимо измерять какие-то параметры систем или обнаруживать какие-то объекты или их части. Условно такие системы будем называть – измерительными. Модели таких систем могут иметь вепольные структуры, рассмотренные ранее (3.2), (3.3) или (3.6). Для измерения параметров вещества В или его обнаружения к нему присоединяют вещество В , которое может: – генерировать поле П (3.7); – преобразовывать поле П в поле П (3.9); – видоизменять поле П в поле П (3.10). Генерирование поля Необходимо измерить или обнаружить объект, который обозначим как вещество В .Для этого к нему присоединяют вещество В , которое генерирует поле П . В вепольном виде генерирование поля описано схемой (3.7). Слева от двойной стрелки показано, что в системе нужно обнаружить или измерить (вещество В ), а справа – вепольная модель генерирования поля, где В  – вещество-генератор, которые мы рассмотрели выше. По выделяемому полю можно легко обнаружить В или измерить его характеристики. Пример 3.5. Обнаружение затонувшего объекта Для обозначения места затонувшего объекта В к нему прикрепляют радиобуй В , дающий сигнал П (3.8), который является радиомаяком для спасательных средств (рис. 3.1). Где: В  – затонувший объект; В  – радиобуй; П  – радиосигнал (радиополе – электромагнитное поле). Рис. 5.1. Обнаружение затонувшего объекта Преобразование поля Необходимо обнаружить вещество В . Для этого к нему присоединяют вещество В , на которое воздействуют полем П и вещество В преобразует его в поле П . Преобразование поля описано веполем (3.9). Примечание. Следует отметить, что если объект измерения В отзывчив на имеющееся в нашем распоряжении поле П и может адекватно реагировать на это поле (генерировать ответное поле П ), то нет необходимости добавлять другое вещество В . Пример 3.6. Измерение температуры Градусник можно представить веполем (3.9). В  – объект, температуру которого нужно измерить; В  – градусник, «переводящий» температуру (тепловое поле П или П ) в некоторый сигнал (поле П ), например, электрический сигнал П или оптический П  – столб ртути, на который мы смотрим. Схема (3.9) в данном примере может быть уточнена. Объект, температуру которого нужно измерить В генерирует поле (тепловое поле) П воздействующее на вещество В (градусник), показывающий температуру П (3.10) Схемой (3.9) можно представить любой датчик (сенсор), например, для измерения: давления, скорости, перемещения, положения, натяжения, расхода, влажности, уровня, радиоактивности и т. д. Видоизменение поля Необходимо обнаружить вещество В . Для этого к нему присоединяют вещество В , на которое воздействуют полем П , и вещество В видоизменяет его в поле П . Видоизменение поля описано веполем (3.11). Поля П и П одной и той же природы, они, например, могут отличаться количественно, но могут быть и друге характеристики, например полярность, фаза, цвет и т. д. Веполем (3.11) можно представить, например, любые электрические измерения: напряжения, тока, мощности, частоты; измеритель информации и т. д. Пример 3.7. Обнаружение пешехода Для того чтобы в темное время суток обнаружить и не сбить пешехода (В ), к его одежде, обуви или сумке прикрепляют светоотражающий материал (В ). Свет фар (П ) автомобиля отражается от этого материала (В ), и шофер видит отраженный свет (П ). Это можно представить веполем (3.12). Где: В  – пешеход; В  – светоотражающий материал; П  – свет фар (оптическое поле); П  – отраженный свет (оптическое поле). Пример 3.8. Бактерии определяют химикат Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали устройство, определяющее конкретный химикат. В качестве индикатора использовали конкретные бактерии, которые при прикосновении с определенным химическим веществом светятся[4 - Living sensors at your fingertips. URL: http://news.mit.edu/2017/living-sensors-your-fingertips-0215 (http://news.mit.edu/2017/living-sensors-your-fingertips-0215).]. В качестве живого материала использовали конкретные бактерии, расположенные в воде, находящейся в гидрогеле. Поддержание жизнедеятельности бактерий осуществляется с помощью жидкой питательной среды, расположенной в гидрогеле[5 - Xinyue Liu and others. Stretchable living materials and devices with hydrogel—elastomer hybrids hosting programmed cells. PNAS. February 15, 2017, URL: http://www.pnas.org/content/early/2017/02/14/1618307114.full?sid=43417b52-d915-4e2a-ab1b-610afd15fe12 (http://www.pnas.org/content/early/2017/02/14/1618307114.full?sid=43417b52-d915-4e2a-ab1b-610afd15fe12).]. Устройство выполнено в виде перчаток или бандажа (рис. 3.2). Рис. 3.2. Устройство, определяющее химикат 3.3. Виды вепольных структур Существуют следующие виды вепольных структур: 1. невепольная система (3.13), (3.14), (3.15); 2. вепольная система – простой веполь (3.16); 3. комплексный веполь: – внутренний комплексный веполь (3.20), (2.21); – внешний комплексный веполь (3.24), (3.25); – комплексный веполь на внешней среде (3.28), (3.29); – комплексный веполь на измененной внешней среде (3.32), (3.33); 4. цепной веполь (3.36); 5. двойной веполь (3.40); 6. смешанный (3.43), (3.44). Невепольная система Система, состоящая из одного элемента: вещества В или поля П , описанных схемой (3.13), или двух элементов: двух веществ В , В (3.14); вещества В и поля П (3.15), называется невепольной или неполной вепольной системой. Невепольные системы, как правило, неуправляемые или плохо управляемые. Основное правиловепольного анализа Невепольные системы для повышения управляемости необходимо сделать вепольными. Это правило можно условно представить в виде (3.16). Задача 3.1. Снятие коры с древесины Условия задачи Обычно кору древесины отделяют механически в специальных корообдирочных барабанах или механическими инструментами, например топором. При этом повреждается и сама древесина. Необходимо предложить способ отделения коры от древесины, который бы не портил древесину. Разбор задачи Разберем эту задачу с позиций вепольного анализа. Имеется древесина и кора. Система невепольная. Она может быть описана схемой (3.17). Где: В  – древесина; В  – кора. Это не вепольная система ее необходимо достроить до вепольной. Достройка веполя заключается во ведении поля П , воздействующего только на кору в направлении ее отрыва от древесины. В вепольном анализе такое действие осуществляется через посредник, в данном случае через древесину В . Это показано вепольной схемой (3.18). Необходимо подобрать поле П , которое может осуществить такое действие. Между корой и древесиной (рис. 3.3) находится слой клеток (камбий Конец ознакомительного фрагмента. Текст предоставлен ООО «ЛитРес». Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/vladimir-petrov-15202224/strukturnyy-analiz-sistem-vepolnyy-analiz-triz/?lfrom=688855901) на ЛитРес. Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом. notes Примечания 1 Альтшуллер Г. С. Найти идею: введение в теорию решения изобретательских задач / Г. С. Альтшуллер; Отв. ред. А. К. Дюнин. – Новосибирск: Наука. Сиб. отд., 1986. – 209 с. 2 Петров Владимир. Талантливое мышление: ТРИЗ/ Владимир Петров. [б. м.]: Издательские решения, 2018. – 280 с. – ISBN 978-5-4493-5785-4 3 Петров Владимир. Решение нестандартных задач: ТРИЗ / Владимир Петров. [б. м.]: Издательские решения, 2018. – 218 с. – ISBN 978-5-4493-6332-9 4 Living sensors at your fingertips. URL: http://news.mit.edu/2017/living-sensors-your-fingertips-0215 (http://news.mit.edu/2017/living-sensors-your-fingertips-0215). 5 Xinyue Liu and others. Stretchable living materials and devices with hydrogel—elastomer hybrids hosting programmed cells. PNAS. February 15, 2017, URL: http://www.pnas.org/content/early/2017/02/14/1618307114.full?sid=43417b52-d915-4e2a-ab1b-610afd15fe12 (http://www.pnas.org/content/early/2017/02/14/1618307114.full?sid=43417b52-d915-4e2a-ab1b-610afd15fe12).