Кузьмин С.И. Методы научных исследований в технических задачах

Подождите немного. Документ загружается.

191

На третьем этапе анализируются собранные данные. Ин-

формация распределяется по направлениям развития, и по

годам публикации. Затем для каждого потребительского

свойства ″Р″ вычисляется модель темпа его изменения в виде

прямой:

= P

+k t

где, Р

– значение показателя на момент времени, (номер

года) t

;

- значение показателя на исходный момент вре-

мени, (t

= 1), определяемое по формуле:

tkP

∑∑

−

где, к – коэффициент изменение показателя Р во времени

∑∑

∑∑∑

===

−

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

tut

tPutP

где, t

– номер года от исходного (t

– 1);

n – число анализируемых объектов – аналогов.

Значение коэффициента ″к″ характеризует динамичность

показателя ″Р″. Чем выше ″к″ тем прогрессивнее тенденция.

Если имеется несколько показателей, то вычисляется

комплексная характеристика, учитывающая значимость пока-

зателей коэффициентами весомости.

Идеология вычисления весомости основывается на мне-

нии потребителей или на мнении разработчиков. Вычисление

коэффициентов весомости

можно произвести по изобрета-

тельской активности: т.е. чем больше изобретений посвяща-

ется улучшению показателя, тем он весомее. Появление чис-

ла патентов улучшающих потребительские свойства по годам

апраксимируют показательной функцией:

⋅

exp

⋅

где, Q

– число изобретений по j-му показателю в t-й год;

с и q

⋅

- постоянные коэффициенты.

192

Сумма весомости всех показателей должна быть равна 1.

Весомость каждого показателя оценивается по коэффициенту

перечитывая их на весомость γ

c учетом:

∑

где, и – количество показателей.

Соответственно весомость:

∑

Анализ тенденций развития техники по изменению по-

требительских свойств используется и для прогнозирования

показателей перспективной разработки, обоснования техни-

ческого задания на объект разработки. Так, например, зная

уравнение динамики изменение показателя Р

=С+b

⋅

можно определить его прогнозное значение на конец ин-

тересующего периода t.

=(С+b

⋅

или с учетом средне квадратного отношения S

)wW(

−

∑

;

где W

– фактическое значение j-го показателя в i-й год;

W – среднее значение j-го показателя за период (n)

исследования тенденции:

∑

;

Тогда прогнозируемое значение j-го показателя составит

(при доверительной вероятности 0,96)

)S1(PP

±=

Полученные значения показателя принимается за исход-

ные требования на разработку объекта.

Тенденции развития техники можно по изменению по-

требительских свойств можно определить и ″методом гисто-

грамм″

193

Метод базируется на построении гистограмм по каждому

показателю. Гистограммой называют графическое отражение

частоты встречаемости модели (объекта) с определенным

значением показателей (рис. 8.2).

Рис. 8.2 Гистограмма распределения параметра Р

Методика базируется на построении гистограммы по ка-

ждому показателю Р

ряда объектов – аналогов за последние

3-5 лет.

При построении гистограммы по показателю Р диапазон

разброса значений для объектов – аналогов разбивается на К

разрядов так, чтобы разброс значений внутри каждого разря-

да составлял:

minmax

−

где Р

max

и Р

min

– граничные значения показателя.

Полученные значения разрядов показателя Р наносят на

ось абсцисс. По оси ординат откладывают число объектов,

которые по значению параметра попадают в соответствую-

щий разряд. Желательно, чтобы R ≥ 6.

Обычно на гистограммах выявляется три характерные

зоны:

1 – зона наиболее часто встречающихся значений. Он

называется – интервал наиболее вероятных значений пара-

метра

Р или модульный интервал;

2 – зона с более низким значением Р;

3 - зона с более высоким значением Р.

Считается, что модульный интервал, построенный по

моделям выпущенным за последние 5-10 лет являются про-

гнозным значением исследуемого показателя на краткосроч-

ную перспективу (∼ 5 лет).

194

Разброс значений, представленный на гистограмме,

представляет область реальных значений показателя объек-

тов – аналогов на текущий момент времени t

. А так же мо-

дельное значение изменяется по времени, то можно опреде-

лить период времени

t за который модельное значение

сдвинется со значения Р

до нового Р.

ooto

KtPP

).( ttKPP

oot

отсюда:

oto

−

Задавая различные значения прогнозируемого показателя

(Р

) можно определить вероятные целесообразные сроки дос-

тижения заданных значений.

При разработке нового объекта техники неизбежно ис-

пользование в нем уже известных решений. Поэтому необхо-

димо решать вопросы о соблюдении прав патентовладельца

либо предусмотреть мероприятия по беспрепятственной реа-

лизации технического решения: приобретение лицензии; оп-

ротестование патента, использование другого решения.

8.3 Методы анализа технических решений и создания

изобретений

8.3.1. Закономерности существования и развития

технических систем

Создание изобретений направленно, прежде всего на со-

вершенствование технической системы (ТС). Объективным

критерием совершенства технического объекта является сте-

пень его приближения к идеальному решению (системе). В

свою очередь идеальная техническая система (ИТС) это сис-

тема которой нет, а функции её выполняются [17]. Это не

красивый парадокс, а ситуация при которой множество эле

ментов системы заменяются либо одним элементом, либо

свойственным полем, либо элементом другой системы (более

высокого уровня).

Для целенаправленного совершенствования системы

необходимо знать общие законы ее существования и функ-

ционирования. Рассмотрим некоторые из них.

195

1. Закон полноты частей системы

Необходимым условием принципиальной жизне- спо-

собности технической системы являются наличие и мини-

мальная работоспособность ее основных частей: двигателя,

трансмиссии, рабочего органа управления (см. рис. 8.3).

Рис. 8.3. Структура технической системы

Двигатель-это элемент, в котором энергия преобразуется

в нужный для системы вид. Трансмиссия-это элемент

, по ко-

торому передается энергия от двигателя к рабочему органу.

Рабочий орган - элемент, который выполняет основную

функцию системы. Орган управления - это элемент, который

оказывает влияние на выполнение другими элементами сис-

темы своих функций. Если в схему включить изделие, то по-

лучится полная принципиальная схема технической системы.

Пунктиром обведен состав минимальной

работоспособной

системы.

Если хотя бы одна часть отсутствует, то это еще не

техническая система; если хотя бы одна часть неработоспо-

собна, то такая система не выживет.

Следствие из закона полноты: чтобы техническая сис-

тема была управляемой, необходимо, чтобы хотя бы одна ее

часть была управляемой.

2.Закон энергетической проводимости системы.

Источник

энергии

Трансмиссия

Двигатель

Рабочий

орган

Орган

управления

Изделие

196

Необходимым условием принципиальной жизнеспособ-

ности технической системы является сквозной проход энер-

гии по всем частям системы.

Следствие из закона: чтобы часть системы была управ-

ляемой, необходимо обеспечить энергетическую проводи-

мость между этой частью и органом управления. Если энер-

гия не будет проходить сквозь всю систему, то она не будет

работать.

Многие

задачи сводятся к подбору, поля и вида переда-

чи энергии, наиболее эффективных для данных условий. При

этом следует руководствоваться тремя правилами:

- при разработке системы надо стремиться к использо-

ванию одного поля (одного вида энергии) на все процессы

работы и управления систем.

- если система состоит из веществ, менять которые

нельзя,

то используется поле правило, которое хорошо про-

водится веществами частей системы.

- если вещества частей системы можно менять, то плохо

управляемое поле заменяют на хорошо управляемое по це-

почке: гравитационное - механическое – тепловое – магнит-

ное – электрическое - электромагнитное. Одновременно за-

меняют вещества или вводят в них добавки для обеспечения

проводимости в полях.

3. Закон

согласования ритмики частей системы

Этот закон обеспечивает жизнеспособность системы:

необходимым условием является согласование (или созна-

тельное рассогласование) частоты колебаний (периодичности

работы) всех частей системы. Смысл закона состоит в том,

чтобы не тратить энергию на гашение этих колебаний, а ис-

пользовать их, направляя к рабочему органу.

4. Закон неравномерности развития частей системы

Закон отражает общую диалектику развития частей сис-

темы. Одни части системы опережают в развитии другие, и

между ними возникают противоречия, которые должен уст-

ранить изобретатель. Противоречия, проявляющиеся в тех-

нической системе в виде ухудшения одного ее качества при

197

улучшении другого качества – называются техническими

противоречиями.

Стремясь убрать конфликтующие, противоречивые от-

ношения между внешними сторонами системы, получают

противоречие внутри системы, на уровне свойств и взаимо-

действия элементов – это уже физические противоречия.

5.Закон увеличения степени идеальности системы

Закон отражает общую идеологию совершенствования

систем. Развитие системы должно быть направлено к макси-

мальному приближению к идеальной системе, которая в свою

очередь может исчезать, превращаясь в другую систему или

совмещая свои функции с другой системой.

Развитие любой технической системы обусловлено уве-

личением её главной полезной функции (ГПФ). Закономер-

ность развития технической системы объективна и состоит из

нескольких характерных этапов.

Начиная с момента возникновения системы,

увеличение

ГПФ идет по пути искажения системы, за счет увеличения

элементов и связей, или подсистем – этот период называется

развертыванием системы (рис. 8.4). Затем развитие техниче-

ской системы наталкивается на объективные ограничения

роста сложности и начинается период свертывания с увели-

чением полезной функции.

Рис. 8.4 Развитие системы

Это сопровождается упрощением технической системы

за счет использования иных, более эффективных физических

эффектов и совмещения нескольких функций в одном эле-

198

менте, использования энергетических и “вещественных” по-

лей.

Потребность в совершенствовании технических систем

заключается в возникновении противоречия: необходимость

увеличения полезной функции ухудшает какую либо часть

системы. И появление изобретения – это всегда преодоление

и разрешение противоречия с целью повышения полезной

функции.

Обычно одно и тоже противоречие можно решить не-

сколькими способами. И не

всегда очевидно преимущество

какого либо решения. В теории изобретательства выделяют

главный ориентир при создании новой системы – идеальный

конечный результат (ИКР) – воображаемый абсолютный итог

решения поставленной задачи.

Идеальный результат обеспечивает разрешение противо-

речия без введения дополнительных элементов в систему, без

её усложнений, а в “идеале” и без привлечения дополнитель-

ной энергии.

Конечно, реально достигнуть ИКР трудно или

невозможно, но “идеальный” эффект помогает найти наибо-

лее эффективное и рациональное («сильное») изобретатель-

ное решение.

Например, в упомянутом изобретении (п. 8.1) среда сама

регулирует свое направление истечения без каких-либо до-

полнительных регулируемых органов.

Теория решения изобретательских задач предлагает сис-

тему стандартов, при помощи которой можно

найти эффек-

тивные решения технических проблем [11].

8.3.2. Теория решения изобретательских задач

Смысл теории решения изобретательских задач (ТРИЗ)

сводится к нахождению модели идеального решения рас-

сматриваемой задачи и, на основе законов развития техниче-

ских систем, подтягивания к нему реального решения. Со-

вершенствование систем предполагается проводить по зара-

нее сформулированным правилам - алгоритму решения изо-

бретательских задач (АРИЗ).

АРИЗ – единая система, состоящая из взаимосвязанных

между

собой разделов, основными из которых являются:

199

1. Вепольный анализ, который рассматривает в системе

нарушения взаимосвязей между веществом (ве) и энергией

(полем) – (веполь).

2. Стандарты - конкретные пути восстановления работо-

способности системы с позиции вепольного анализа.

3. Информационный фонд- набор эвристических прие-

мов устранения технических противоречий, задачи-аналоги,

физико-химические, геометрические и другие эффекты.

ТРИЗ является следствием системного подхода, кото

рый рассматривает любой технический объект, как систему,

то есть совокупность отдельных относительно неделимых

элементов. Элементы организованы в пространстве и между

собой таким образом, что в состоянии обеспечивать дости-

жение определенной цели системы – главной полезной

функции (ГПФ).

Важной характеристикой любой системы является ее

структура - устойчивая связь между элементами системы,

отражающая форму

расположения элементов и характер

взаимодействия их сторон и свойств. Вепольный анализ на-

правлен на выявление определенных связей отдельных эле-

ментов системы с энергетическим ресурсом.

Как и физические законы, которые одинаково проявля-

ются в различных ситуациях, так и законы развития техники

едины для всех ее систем и позволяют предсказать "поведе-

ние" ее

элементов. На этом и основаны "изобретательские"

стандарты.

Стандарты делятся на пять больших классов:

1. Построение и разрушение вепольных систем.

2. Развитие вепольных систем.

3. Переход к надсистеме и на микроуровень.

4. Стандарты на обнаружение и изменение

систем.

5. Стандарты на применение стандартов.

Каждый из этих классов разделен на подклассы и груп-

пы. Для

решения задачи необходимо определить класс, к ко-

торому она относится, провести вепольный анализ, выявить

подкласс и группу.

200

Нахождение идеального решения технической задачи

невозможно без четкого представления об «идеальности сис-

темы». Принципы идеальности технической системы можно

сформулировать следующим образом:

1. Полезный результат получается от действия или

средства без самого действия ("получить даром").

2. В каждый момент времени и в каждой точке про-

странства в технической системе должны быть только те

свойства и взаимодействия, которые необходимы для полу-

чения полезного результата ("ничего лишнего");

3. Необходимо максимально использовать имеющиеся

свойства и взаимодействия элементов системы и ее окруже-

ния, устранять потери и отходы ("из лишнего - максималь-

ную пользу");

4. Необходимо доводить до минимума затраты времени

на получение полезного результата ("получить сразу, мгно-

венно").

Второй

принцип ориентирует на создание технической

системы лишенной избыточности. В соответствии с ним

ищется решение технических противоречий в пространстве и

во времени.

Третий принцип идеальности ориентирует на макси-

мальное использование всех резервов системы. Он применя-

ется наиболее часто, поскольку совершенно неизбыточных

систем не бывает.

Четвертый принцип идеальности соответствует повы-

шению эффективности происходящих

в системе процессов.

Основной путь его реализации, кроме интенсификации про-

цессов, - сокращение числа операций и совмещение их в про-

странстве и во времени.

Так как новое техническое решение практически всегда

основано на известном аналоге, то возникает вопрос о путях

повышения степени идеальности системы. В этом направле-

нии так же выработаны

некоторые формальные приемы.

Первое: сохраняя функцию неизменной, техническая

система упрощается, уменьшается в габаритах, облегчается,

уменьшается потребление энергии.