Структурный анализ систем. Вепольный анализ. ТРИЗ

© 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 друга Генриха Альтшуллера

Владимир Петров

vladpetr@013net.net

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).

Вепо́льный анализ

…вепо́ль 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

Г. С. Альтшуллер

Введение

Для анализа и синтеза систем используется моделирование, которое является одной из составляющих талантливого мышления². 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 противоречие³, являющееся одним из важных понятий теории решения изобретательских задач (ТРИЗ).

Моделированием структуры системы в ТРИЗ занимаются функциональный и вепо́льный анализ.

Вепо́льный анализ предназначен для представления исходной системы в виде определенной (структурной) модели и преобразования ее для получения структурного решения, устраняющего недостатки.

Глава 1. Понятия вепо́льного анализа

Структурный вещественно-полевой (вепо́льный) анализ – раздел ТРИЗ, изучающий и преобразующий структуру систем. Вепо́льный анализ разработан Г. С. Альтшуллером.

Вепо́льный 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.

Вепо́ль – модель минимально управляемой системы, состоящей из двух взаимодействующих объектов и их взаимодействия.

Взаимодействующие объекты условно названы веществами и обозначаются В₁ и В₂, 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 В₁ – изделие, В₂ – инструмент, «обрабатывающий» изделие В₁, 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 В₁ разрезают ножом В₂, прикладывая силу руки П₁ (поле механических сил). В данном случае П₁ – линейное перемещение ножа и давление.

Этот же пример можно представить и другой вепольной схемой (1.3): нож В₂ действует на хлеб В₁ через механическое поле П₂, представляющее собой давление ножа на хлеб или трение между ножом и хлебом.

Пример 1.2. Информационная система

Если В₁ – элемент (программа) 1, В₂ – элемент (программа) 2, а П₁ – поле (сигнал – информация), то вепольную модель можно представить схемой (1.4). Эту же формулу можно представить и так: В₁ – данные (информация) 1, В₂ – данные (информация) 2, а П₁ – алгоритм.

Введем понятие «отзывчивости».

Отзывчивость в вепольном анализе – это свойство вещества В реагировать (отзываться) на воздействие поля П, т. е. выполнять необходимое (заданное) действие или вещества В 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 В₁, В₂ связанные между собой каким-то образом (не всегда известным), а на схеме (2.2) показана связь П₁и В₁.

Действие (воздействие) обозначается стрелкой.

Воздействие инструмента В₁ на изделие В₂ может быть изображено схемой (2.3). Стрелка указывает направление действия В₁ на В₂

Схема (2.4) показывает действие поля П₁ на вещество В₁.

Может быть и обратное действие В₂ на В_1, показано на схеме (2.5).

или В₁ на П₁ – схема (2.6).

Взаимодействиеобозначается двухсторонней стрелкой.

Схема (2.8) описывает взаимодействие поля и вещества П₁ и В₁.

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_маг, П_маг или В₁, П_маг (В_маг, П₁); радиоактивное вещество – В_{р. а.}, П_{р. а}; радио – В_рад, П_рад; электрет – В_эл, П_эл 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 В₁ – левая часть схемы (3.2). При записи добавляют контрольное число В₂. По контрольной сумме П₁ определяют правильность данных В₁ (нет ли ошибки или вируса).

Где:

В₁ —данные 1;

В₂ – данные 2 (избыточная информация – контрольное число);

П₁ – контрольная сумма.

Преобразование поля

Преобразование поля веществом представлено на схеме (3.3). Вещество преобразует один вид поля (энергии или информации) П₁ в другой П₂ вид. Это два качественно разных поля.

Примечание. Принято входное поле (в данном случае П₁) располагать над веществом В, а выходное П₂ ниже вещества В.

Преобразование энергии могут осуществлять, например: генератор, двигатель, электродвигатель, измерительный элемент (датчик) и т. п.

Пример 3.2. Генератор

Генератор электрического тока В преобразует вращательное полеП₁ (полемеханических сил), которое может быть изображено и как П_мех, в электрическое поле П₂ или П_эл. Веполь будет иметь вид (3.4).

Пример 3.3. Электродвигатель

У электродвигателя В – обратное преобразование – электрическое поле П_эл превращается в механическое П_мех поле вращения. Веполь будет иметь вид (3.5).

Преобразование информации.

Пример 3.4. Телефон

В телефоне – звуковая информация (акустическое поле П_ак) преобразуется в электрическую П_эл, и обратное преобразование – акустического поля П_акв электрическую П_эл, эти преобразования осуществляют микрофон и наушник, соответственно; радио преобразует электромагнитные волны (электромагнитное поле П_{эл. м}.) в звуковые (акустическое поле П_ак).

Видоизменение поля

Видоизменение поля веществом представлено схемой (3.6). Вещество изменяет характеристики одного и того же поля (энергии или информации) из П₁ в П₂. 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.