ТРИЗ для «чайников». Приемы устранения технических противоречий
Книга посвящена одному из самых простых и доступных инструментов ТРИЗ – приемам устранения технических противоречий. Для упрощения освоения материала он оснащен большим количеством примеров и изложен в виде подприемов с рекомендациями для использования. Это помогает увидеть аналогии между ними и реальными задачами читателя.Книга адресована широкому кругу читателей – инженеров, студентов и даже школьников. Она может стать настольным справочником для инженеров и менеджеров в их работе.
Оглавление
Приведённый ознакомительный фрагмент книги ТРИЗ для «чайников». Приемы устранения технических противоречий предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.
1.2. Оперативная зона и оперативное время
Техническое противоречие всегда проявляется в определенное время и в определенном месте. Например, при выполнении рентгенографии мы понимаем, что рентгеновские лучи крайне вредны для здоровья. Но при проведении неразрушающего контроля (рентгена) их использование происходит только в ограниченное время, и в защищенной камере, где людей нет. Таким образом, разрешается противоречие — нужны вредные лучи для проведения анализа, и эти лучи должны быть безвредными для персонала.
Для того чтобы научиться разрешать противоречия попробуем разобраться, где и когда техническое противоречие возникает. Для этого введем понятия оперативной зоны (ОЗ) и оперативного времени (ОВ).
Пространство в системе, в котором возникают противоречивые требования, и граничная зона около него, называется оперативной зоной.
Часто современная техника излучает радиоволны высокой частоты, которые вредны для здоровья, но сами приборы нужны для использования. Почему же мы все-таки пользуемся ими? Да потому, что вредное излучение возникает только в ограниченной зоне в приборе, а пространство вокруг него будет вполне безопасным. Именно эта зона (зона действия лучей!) и будет в данном случае оперативной зоной.
Если мы говорим, что утюг плохо гладит, из-за того, что плохо нагревается, то при этом понимается, что плохо нагревается нижняя (рабочая) поверхность утюга. Она и является оперативной зоной. Все остальные части утюга (например, ручка) нас не волнуют.
Промежутки времени, во время которых к системе предъявляются требования, выполнение которых вызывает конфликтную ситуацию (то есть необходимость выполнения противоречивый требований) и называются оперативным временем.
Например, основные требования к толщине брони танка возникают во время боя, и совершенно никого не волнуют в то время, когда танк стоит на базе или находится на марше. Следовательно, оперативное время для танка — время боевых действий, атаки.
А теперь рассмотрим два примера по решению задач с использованием понятий «оперативная зона» и «оперативное время».
В 1980 году на Нижнетагильском металлургическом комбинате мы столкнулись с крайне сложной задачей. Необходимо было повысить качество проката для морских судов, снизить поперечную разнотолщинность листов (это было обязательным условием регистра Ллойда). На стане, построенном еще в 30-е годы, это сделать весьма сложно. Проблема состояла вот в чем. Лист прокатывают просто: слиток пропускают между двумя рабочими валками приблизительно так, как хозяйки отжимают мокрое белье, на старых стиральных машинах. Только валки не из резины, а из стали. Чтобы рабочие валки не сильно прогибались, устанавливают опорные валки. Это рабочая схема стана «кварто». Постепенно зазор между ними уменьшают, и, в конце концов, получается готовый лист, заданной толщины.
При такой технологии прокатчикам приходится решать две задачи:
во-первых, деформировать металл так, чтобы он получался с одинаковой толщиной в центре и на краях, то есть без поперечной разнотолщинности,
во-вторых, удерживать раскатываемый лист в валках строго по центру.
Вам может показаться, что это разные задачи. Но это не так. Дело в том, что усилия деформации настолько велики, что никакие посторонние дополнительные механизмы не способны удержать раскатываемый лист в валках, если из-за неравномерной деформации по ширине его начнет уводить в сторону. В результате произойдет авария.
Прокатчики нашли выход. Они сделали валки так, чтобы при нагрузке образовывался вогнутый профиль, и теперь раскатываемый лист сам центрует себя. Если он сдвинулся в какую-нибудь сторону, то горизонтальная составляющая усилия деформации загоняет его назад. И чем больше вогнутость, тем значительнее эффект самоцентрирования.
Вот тут и противоречие: чем больше вогнутость валков, тем больше поперечная разнотолщинность, то есть тем хуже качество проката, но зато более надежна устойчивость процесса. К тому времени, когда мы начинали работать, разнотолщинность между центром и краями достигала 1—1,2 мм при допуске всего 0,8 мм. Итак, налицо противоречие. Как быть?
Рис. 7. Стан «кварто». При нагрузке образуется поперечный профиль листа в виде «чечевицы».
В хирургии полостных органов — кровеносных сосудов, кишечника, пищевода, трахеи — часто применяется замена отдельных их участков трубчатыми протезами из синтетических полимеров, которые должны обеспечить изоляцию субстрата, находящегося внутри полости (пищи, воздуха, крови), от окружающих частей организма. Как и всякое инородное тело, трубчатые протезы постепенно снаружи и изнутри покрываются капсулой из соединительной ткани. При значительной длине протеза внутренняя часть этой капсулы недостаточно хорошо снабжается кровью, что вызывает ее дистрофию и медленное отмирание. Для того чтобы обеспечить связь между внутренней и наружной частями капсулы, лучше всего было бы применить пористые протезы, но в таком случае, прежде чем капсула будет образована, нарушится герметичность сосуда. Как быть?
Чтобы разрешить противоречие, необходимо провести анализ технической системы и противоречий, связанных с ней. Начнем с уточнения условий, в которых возникают и действуют противоречивые требования, то есть оперативного времени и оперативной зоны. При рассмотрении работы любой системы, нетрудно видеть, что она далеко не всегда работает в одинаковых условиях, и с одинаковыми параметрами. Поэтому, например, условно все время работы технической системы можно разделить на такие промежутки Т1, Т2 и т.д., в течение каждого из которых все характеристики системы одинаковы или однородны. Так же надо поступить и с пространством, разделив его на зоны S1, S2, и т. д. где требования одинаковы.
Начнем с задачи 2. Противоречие состоит в том, что сосуд должен быть пористым, чтобы кровь быстро поступала в соединительную ткань, образующуюся внутри протеза (то есть через некоторое время), и не пористым, чтобы кровь не вытекала из сосуда прямо сейчас.
Оперативная зона и оперативное время
Оперативная зона
При решении задачи надо определить, в каком месте и когда должно проявляться корректирующее действие. Чаще всего это зона конфликта, но бывает, что действие должно происходить в месте устранения причины конфликта. Место полезной системы, в котором мы будем выполнять преобразования согласно условию задачи, называется оперативной зоной.
В оперативной зоне присутствуют, как минимум, два компонента. Один из них выполняет действие, это инструмент. Второй — подвергается преобразованию, это обрабатываемый объект.
В разных задачах, сформулированных относительно одного и того же конфликта, оперативные зоны могут быть разными.
Пример. Три оперативные зоны в системе «автоматический карандаш»
Мы рассматриваем проблемную ситуацию с автоматическим карандашом. В ситуации присутствуют следующие компоненты: корпус карандаша, рука, механизм подачи и удержания грифеля, грифель, бумага.
Место конфликта «карандаш – бумага»
Конфликт заключается в том, что грифель оставляет слишком слабый след на бумаге.
Причины этого могут быть следующие:
Устранение каждой причины — это отдельная задача.
Если задача заключается в улучшении сцепления грифеля с бумагой, то оперативная зона может включать кончик грифеля и поверхность бумаги. В этом случае место конфликта и оперативной зоны совпадают.
Если задача связана с удобством удержания карандаша в руке, то в оперативную зону включаются рука и корпус карандаша.
Если по условию задачи требуется улучшить фиксацию грифеля в корпусе карандаша, то в оперативную зону могут входить грифель и механизм его удержания.
Зависимость оперативной зоны от сути задачи
Оперативное время
Конфликт, вредное взаимодействие, которое происходит в системе, развивается в пространстве и во времени. Точно также осуществляется и корректирующее действие, которое мы выполняем в оперативной зоне для устранения конфликта.
Следовательно, кроме оперативной зоны, т. е. места, где мы трансформируем систему для устранения конфликта, важно выделять и оперативное время, то есть время, когда нам нужно обеспечить корректирующее действие на компоненты системы в оперативной зоне.
Оперативное время характеризуется моментом начала действия и продолжительностью и может быть разделено на две части:
Выполнить корректирующее действие, т. е. исправить ситуацию в оперативной зоне можно до конфликтного взаимодействия, во время его проявления, а также после того, как конфликт уже произошёл. Исправляющее действие может быть постоянным, а может проявляться только на короткий момент, с длительностью, достаточной для улучшения ситуации в оперативной зоне.
Пример: Оперативное время использования пленки для экрана смартфона
Решая задачу защиты экрана смартфона от повреждения, можно прийти к идее покрыть экран защитной пластиковой пленкой. В этом случае оперативное время начинается задолго до конфликта (удара по экрану), защитное действие длится постоянно, обеспечивает защиту на весь срок службы пленки. А корректирующее действие (предохранение экрана от разрушения) проявляется непосредственно в момент удара.
Защитная пленка на дисплее смартфона
Пример: Оперативное время использования реактивного тормоза парашюта
Парашют для десантирования тяжёлых грузов имеет чрезмерную скорость контакта с землёй. Чтобы груз приземлялся плавно, на парашют ставят реактивный тормозной двигатель, который на короткое время срабатывает перед касанием земли, и существенно замедляет скорость снижения. Здесь корректирующее действие проявляется перед временем конфликта.
Реактивный тормоз грузового парашюта
О работе с ТРИЗ тренером
На входе этого шага мы не имеем ясного понимания того, где мы будем прикладывать свои усилия в соответствие с моделью задачи. На выходе мы должны уяснить, где мы будем менять систему, чтобы получить требуемый результат.
Сквозной пример. Коробка для пиццы
Оперативная зона: Здесь оперативная зона совпадает с зоной конфликта, а именно, это место, где пицца соприкасается с дном коробки.
220053, Республика Беларусь, г. Минск, ул. Урожайная, д.9, офис 6
Глоссарий
Алгоритм решения изобретательских задач — предписанная последовательность действий, следуя которой, решатель приходит либо к решению задачи, либо к пониманию, почему это решение получить нельзя, и как нужно переформулировать задачу для достижения положительного результата.
Альтернативные системы — особый вид конкурирующих систем, у которых, как минимум, одна пара свойств «зеркальна»: там, где у одной системы несомненное достоинство, у другой — явный недостаток, и наоборот.
Атрибут ресурса — неотъемлемый признак объекта (например, у технических объектов это положение в пространстве, материал, динамичность и т.п).
Вепольная модель — модель задачи, в которой компоненты оперативной зоны заменяются условными «веществами», а способы их взаимодействия — «полями». Такую модель называют «веполь» (от вещество+поле).
Вредный продукт — продукт, образующийся при функционировании вредной системы и приводящий к появлению нежелательного эффекта.
Гипотеза устранения конфликта (рабочая гипотеза) — обобщённое предположение о том, при каких условиях можно устранить существующий конфликт.
Главная полезная функция технической системы — назначение технической системы; то действие, для выполнения которого она проектируется и изготавливается.
Желаемый результат — цель преобразования технической системы при решении задачи: улучшение каких-то её качеств или устранение недостатков.
Задача — постановка конкретной цели по улучшению проблемной ситуации: как выполнить те или иные преобразования технической системы; как создать те или иные условия и т.п. Хорошо сформулированная задача содержит следующую информацию: описание обстоятельств, указание конфликта, предположение о способе устранения конфликта и вопрос о том, как этот способ реализовать в конкретных обстоятельствах улучшаемой технической системы.
сопутствующая — задача о том, как устранить препятствия практической реализации некоторой перспективной, но недостаточно конкретной идеи преобразования технической системы, или об устранении некритичного, но значимого недостатка нового варианта технической системы.
аналог — задача, аналогичная решаемой в каких-то аспектах: в принципе действия технической системы, улучшаемом параметре, ограничениях, наличии сходных ресурсов. Задачи могут иметь и более глубокую аналогию: по выделенному техническому или физическому противоречиям.
Законы развития технических систем — общие направления развития для любых технических систем, выделенные Г. С. Альтшуллером и его коллегами. Среди них законы:
Идеальность — отношение комплексного параметра, характеризующего пользу от выполнения функции технической системы, к затратам на её функционирование. Идеальность описывается формулой
И = Ф / 3,
где И — идеальность технической системы;
Ф— польза от работы системы (её функционирования);
3 — затраты на выполнение этой функции.
Идеальный конечный результат — решение задачи без введения в техническую систему дополнительных компонентов, а путём преобразования уже существующих компонентов и/или связей между ними.
Идеальная система – система, которой не существует, но при этом функция её выполняется. Это одна из моделей, используемых в ТРИЗ, наподобие модели абсолютно чёрного тела, используемой в физике.
Инерция мышления (психологическая инерция) — свойство мышления, заключающееся в нежелании или неумении отойти от существующих представлений и постулатов. Проявляется в использовании очевидных решений и знакомых способов преодоления затруднений.
Инженерный опыт — личный запас знаний и умений инженера, образующийся как совокупность базового образования, технического кругозора и информации об аналогичных решённых задачах.
Инструмент — компонент технической системы, который непосредственно участвует в выполнении её функции, воздействуя на обрабатываемый объект.
Конкурирующие системы — системы, выполняющие одну и ту же функцию различными способами. Способы выполения функции различаются физическим принципом и обуславливаются стоимостью и обстоятельствами.
Конфликт — негативное взаимодействие компонентов машины, которое проявляется в возникновении вредного продукта. В конфликтном взаимодействии один из компонентов подвергается воздействию — это обрабатываемый объект, другой компонент (инструмент) выполняет вредное действие.
Краткая формулировка задачи — представление сути задачи в обобщённом и понятном виде. Эта формулировка описывает, что происходит, какие компоненты участвуют и как они взаимодействуют, в чём заключается недостаток, и что нужно изменить.
Линия развития — последовательность обобщённых преобразований, одинаковая для множества эволюционирующих технических систем.
базовая — линия развития, описывающая общие преобразования технических систем без привязки к конкретной технической системе.
конкретная — последовательность вариантов реальной технической системы, полученных в результате применения к ней обобщённых преобразований (соответствующих базовой линии развития).
Машина — реальная техническая система; устройство, механизм, агрегат, оборудование, созданное с целью выполнения полезной функции.
Место конфликта — зона в технической системе, где возникает конфликтующее взаимодействие её компонентов.
Модель – упрощённое представление реального объекта с выделением его признаков, наиболее существенных для проводимого анализа.
Модель задачи — упрощенное представление задачи в виде словесного описания, графической схемы и т.п.
– «Условия в оперативной зоне» — модель задачи, в которой в упрощённом виде описываются условия, которые нужно получить в оперативной зоне. Формализованная модель задачи состоит из четырёх частей: краткой формулировки, указания оперативной зоны, списка доступных ресурсов, указания ограничений.
– «Действие в оперативной зоне» — модель задачи, показывающая компоненты оперативной зоны и их взаимодействие.
– «Техническое противоречие» — модель задачи, включающая техническое противоречие между двумя параметрами полезной системы: улучшение одного из параметров вызывает недопустимое ухудшение другого.
– «Физическое противоречие» — модель задачи, включающая противоречие между взаимоисключающими требованиями к одному и тому же параметру компонента или его части. Аналог физического противоречия в ТРИЗ.
Модель решения — описание предлагаемого принципиального изменения полезной системы или её отдельных компонентов для устранения конфликта.
Надсистема — система более высокого иерархического уровня, включающая анализируемую техническую систему как одну из составных частей.
Нежелательный эффект — внешнее проявление несовершенства какой-либо машины.
Обрабатываемый объект — компонент технической системы, который подвергается воздействию с целью получения полезного продукта.
Озарение (инсайт) — интеллектуальное явление, суть которого заключается в неожиданном обнаружении решения для проблемы.
Оперативная зона — место в системе, которое надо изменить, чтобы устранить конфликт.
Оптимизация — совершенствование технической системы путём изменения параметров её подсистем. Цель оптимизации — достижение наилучших значений эксплуатационных параметров преобразуемой системы.
Первопричина конфликта — событие, обусловливающее возникновение цепочки других взаимосвязанных событий, в результате приводящих к конфликту.
Подсистема — составная часть технической системы. Может рассматриваться как система более низкого иерархического уровня.
Полезный продукт — материальный результат, создаваемый при работе машины и имеющий определённую потребительскую ценность.
Предварительное решение — концепция преобразования технической системы или условий её работы, описывающая один из способов решения задачи.
Причина конфликта — событие, предшествующее конфликту и прямо или опосредованно обусловливающее возникновение конфликта.
Проблемная ситуация — совокупность обстоятельств, в которой содержатся один или несколько нежелательных эффектов. В технических проблемных ситуациях эти обстоятельства, как правило, связаны с какой-то машиной (оборудованием, устройством, агрегатом, производственной установкой и т.п.).
Продукт — результат преобразования обрабатываемого объекта, получаемый при работе машины. Продукт может иметь потребительскую ценность, а также может быть побочным или даже вредным.
Противоречие — несоответствие между потребностью и возможностью её удовлетворения.
административное — противоречие между потребностью в изменении некоторой проблемной ситуации и неизвестностью способа удовлетворения этой потребности.
техническое — противоречие, которое заключается в том, что улучшение одного
эксплуатационного параметра технической системы приводит к недопустимому ухудшению другого.
физическое — противоречие, которое заключается в том, что к одному свойству системы или её компонента предъявляются взаимоисключающие требования.
Ресурсы — всё, что может быть использовано для преобразования технической системы с целью решения задачи: вещества, поля, время, пространство, информация.
пространственные ресурсы — всё свободное пространство в оперативной зоне и в других частях технической системы, в том числе и то, которое можно получить в результате каких-либо преобразований материальных ресурсов: полости, промежутки между компонентами, особенности геометрической формы и внутренней структуры компонентов и т.п.
полевые — все виды энергии, физические поля, а также все силы и взаимодействия между вещественными объектами.
легкодоступные — природные и технические ресурсы, получение и использование которых не требует больших расходов, а их количество условно не ограничено.
временные — временные промежутки до, во время или после рассматриваемого конфликтного события, которые можно использовать для предотвращения, нейтрализации или исправления его негативных последствий.
вещественные — все вещества в любом агрегатном состоянии (твёрдые, жидкие, газообразные, плазма, вакуум), их смеси, а также все технические и природные объекты.
Система — совокупность взаимосвязанных компонентов, обладающая интегративным свойством, то есть свойством, которым не могут обладать как каждый компонент в отдельности, так и их неорганизованная совокупность.
абстрактная — система, представленная абстрактной моделью (словесной, графической, математической).
вредная — самоорганизующаяся совокупность компонентов машины, производящая вредный продукт.
единичная техническая — особый вид технических систем, в котором происходит только одно преобразование энергии. Структура такой технической системы включает в свой состав компоненты, выполняющие роли двигателя, трансмиссии, инструмента, обрабатываемого объекта, источника энергии и органа управления.
идеальная — техническая система, затраты на функционирование которой пренебрежимо малы по сравнению с пользой от того действия, которое она производит.
инженерная – система, построенная на основе машины, технического средства.
полезная — понятие, аналогичное понятию «техническая система». Совокупность компонентов, организованная для производства полезного продукта.
реальная — взаимосвязанная совокупность материальных компонентов. В техническом мире реальными системами являются машины (устройства, механизмы, оборудование и т.п.).
техническая — особый вид систем, сознательно и целенаправленно организуемый человеком для выполнения какой-то необходимой работы, получения нужного продукта.
Список доступных ресурсов — список вещественных, полевых, временны′х и пространственных ресурсов, присутствующий в технической системе и её ближайшем окружении.
Точка бифуркации — при работе по алгоритму — кризисный момент, когда необходимо сделать принципиальный выбор, в каком направлении следовать дальше.
Требования к ресурсу — описание условий, которым должен отвечать ресурс, обеспечивающий переход от модели решения к предварительному решению задачи.
Финальное решение — описание комплексного преобразования технической системы, в котором учтены наиболее полезные частные преобразования, описанные ранее в предварительных решениях.
Функциональная модель — упрощённая графическая модель технического устройства. Она даёт возможность получить совокупное представление о составе, структуре и функциональных связях между компонентами.
Функциональная пара — функциональная модель, включающая только два компонента. При этом определено, какой компонент является инструментом (воздействует), а какой обрабатываемым объектом (подвергается воздействию).
Функция технической системы — предназначение технической системы, выражаемое в действии, направленном на изменение состояния материальных объектов. Функцию можно представить, как взаимодействие двух компонентов — инструмента и обрабатываемого объекта. Инструмент воздействует на обрабатываемый объект, преобразует его и производит продукт: результат выполнения функции.
Холмообразная схема решения задачи — схема, иллюстрирующая процесс решения любой задачи. В схеме показаны три перехода: от условия задачи к абстрактной модели задачи; от абстрактной модели задачи к абстрактной модели решения; от абстрактной модели решения к конкретному решению.
Эксплуатационный параметр — параметр, характеризующий выполнение технической системой той функции, для которой она предназначена.
Эффект — природное явление, которое может быть использовано для преобразования технической системы при решении задачи. Эффект описывается по определённой схеме:
геометрический — эффект, при котором изменение геометрической формы объекта приводит к возникновению каких-то новых свойств.
физический — эффект, при котором физическое воздействие на объект приводит к преобразованию энергии, переходу вещества в новое фазовое состояние, появлению полей, изменению свойств объекта и т.п.
химический — эффект, при котором химическое взаимодействие между атомами и молекулами вещества приводит к возникновению какого-то поля или действия или возникновению новых свойств объекта.
220053, Республика Беларусь, г. Минск, ул. Урожайная, д.9, офис 6
