Главная    Инструменты    Свертывание элементов технических систем

Свертывание элементов технических систем

А.Б. Рожнов

Аннотация. Описана и показана на примерах методика свертывания элементов в технических системах. Методика направлена на формирование технических систем с минимальным количеством элементов, но выполняющих все основные функции.

Идеальность любой технической системы (ТС) определяется отношением ее функциональных возможностей к совокупности затрат на изготовление и эксплуатацию (∑F/∑C). При развитии ТС происходит увеличение их идеальности, главным образом путем развертывания и свертывания. Развертывание ТС - это увеличение количества и качества выполняемых функций путем усложнения технической системы. Свертывание ТС, наоборот, связано с ее упрощением при сохранении или росте полезных функций. В процессе развития, оба процесса могут сменять друг друга, перекрываться, протекать параллельно [1]. Свертывание элементов технических систем при ее развитии осуществляют по специальной методике, являющейся составной частью функционально-стоимостного анализа (ФСА) [2]. Настоящая статья посвящена этой методике, разработанной В.М. Герасимовым и С.С. Литвиным [3].

Целью свертывания является устранение одного или нескольких элементов из ТС с переносом их функций на оставшиеся элементы. Для этого последовательно рассматриваются все элементы ТС, выясняется возможность функционирования ТС без данного элемента, строится функционально - идеальная модель новой ТС (без данного элемента) и формулируются задачи, которые необходимо решить для реализации этой модели.

Свертывание проводят после проведения компонентного, структурного и функционального анализа ТС (подробно рассмотрены выше). Компонентный анализ проводится для выявления частей (компонентов), из которых состоит данная ТС. В результате этого анализа строится компонентная модель ТС, представляющая собой список элементов ТС, а также внешних элементов, с которыми взаимодействует ТС (элементов надсистемы). При проведении компонентного анализа также формулируется главная функция ТС (функция, для выполнения которой данная система предназначена) и определяется объект главной функции (объект, на который направлена эта функция) [2, 4].

Пример. В настоящей работе для демонстрации методики свертывания элементов ТС, а также предваряющего ее ФСА, предлагается рассмотреть достаточно простую для понимания техническую систему - шариковую ручку (Рис. 1). Компонентная модель этой ТС показана на Рис. 2. Главная функция шариковой ручки - оставлять след. Объект главной функции точно не определен - ручка может писать на бумаге, на дереве, и т.д. Определим для упрощения в качестве объекта главной функции бумагу.

Рис.1. Шариковая ручка-объект для анализа

Рис. 2. Компонентная модель шариковой ручки (фрагмент)

Структурный анализ направлен на выявление взаимодействий между компонентами ТС. Результатом этого анализа является структурная модель, представляющая собой матрицу взаимодействий, в которой по горизонтали и по вертикали перечислены компоненты ТС, а на пересечениях столбцов и строк значками отмечены имеющиеся взаимодействия между ними [2, 4].

Пример. Структурная модель шариковой ручки показана на Рис. 3. Плюсами отмечены взаимодействия между элементами.

Рис. 3. Структурная модель шариковой ручки (фрагмент)

Функциональный анализ ТС выполняется для выявления конкретных функций, которые выполняются компонентами ТС, оценке полезности этих функций, относительной значимости для системы в целом, качества выполнения и уровня затрат на выполнение. В результате этого анализа строится функциональная модель, обычно в виде таблицы (либо в виде схемы), в которой для каждого компонента ТС перечисляются все выполняемые функции (как полезные, так и вредные) и количественно (с помощью баллов) оцениваются степень важности каждой функции для системы в целом (функциональная значимость), проблемная и затратная значимость.

Степень важности функций для системы в целом называют рангом функций. Ранг функции определяется по объекту, на который она направлена. Более важными являются функции, направленные на объект главной функции ТС (эти функции имеют ранг основных). Функции, направленные на компоненты ТС, имеют ранг вспомогательных функций. Вспомогательные функции ранжируются дополнительно по степени важности: функция, объект которой выполняет основную функцию, имеет ранг 1, функция, объект которой не имеет основных функций, но выполняет вспомогательную функцию 1-го ранга, имеет ранг 2 и т.д. Функции, направленные на объект надсистемы (не объект главной функции), имеют ранг дополнительных.

Проблемная значимость функций (или качество выполнения функций) оценивается исходя из того, насколько результат выполнения функции соответствует требуемому значению (интервалу). При определении проблемной значимости обычно выбирают, как выполняется функция - недостаточно, нормально или избыточно. Уровень затрат на выполнение функций определяют, как правило, экспертно [2, 4]. Информация, полученная в результате проведения функционального анализа, используется при проведении свертывания, поскольку при свертывании важно найти самые "проблемные" элементы ТС и постараться их устранить.

Пример. Функциональная модель шариковой ручки в табличном и графическом виде показаны на Рис. 4. В данной ТС вспомогательные функции (обозначены буквой "В" с номером ранга) разделились на 4 ранга, каждому из рангов была присвоена своя функциональная значимость (свой балл), в диапазоне от 2 до 8. Основные функции (обозначены "О") имеют функциональную значимость 10, дополнительные - 1. Проблемная значимость полезных функций была оценена баллами от 0 до 2 (если функция выполняется избыточно-1 балл, если нормально-0 баллов, если недостаточно -2 балла), для вредных функций проблемная значимость самая высокая-4 балла. Затратная значимость оценивалась экспертно с помощью баллов (от 1 до 10), путем сравнения затрат на изготовление компонентов. Для каждого компонента ТС просуммированы функциональная значимость всех функций, а также проблемная и затратная значимость всех функций. Эти данные будут нужны при дальнейшем свертывании компонентов.

Рис. 4. Функциональная модель шариковой ручки в табличном и графическом виде (фрагменты).

Процедура свертывания включает пять основных этапов [5]:

1. Выбор элемента ТС для свертывания;

2. Формулирование условий свертывания для выбранного элемента;

3. Выбор варианта условий свертывания;

4. Формулирование задач свертывания;

5. Построение функционально-идеальной модели свернутой ТС.

Рассмотрим эти этапы более подробно.

1. Выбор элемента ТС для свертывания. Свертывание рекомендуется начинать с элементов, которые выполняют вспомогательные функции самого низкого ранга (менее функционально нагруженные) или наибольшее количество вредных функций. Необходимо пояснить, что вспомогательные функции самого низкого ранга имеют более высокий номер (например, вспомогательная функция 5-го ранга считается функцией более низкого ранга, чем вспомогательная функция 2-го ранга). Свертыванию в первую очередь подлежат и элементы, с которыми связаны наибольшие затраты. Элементы, выполняющие основные функции, рекомендуется свертывать в последнюю очередь, поскольку их устранение может привести к изменению принципа действия ТС. Для того чтобы сразу учесть все эти факторы, на практике порядок свертывания элементов определяют с помощью специального коэффициента, который называется тримминг-фактор:

T=F2/P+C               (1)
где F-функциональная значимость (%);
P-проблемная значимость (%);
С-затратная значимость (%).

Тримминг-фактор рассчитывают для всех элементов технической системы. Свертывание начинают с элемента, имеющего минимальное значение тримминг-фактора. Свертывание может быть как одноэтапным (устраняется только один элемент из ТС), так и многоэтапным (последовательно устраняется несколько элементов из ТС).

Пример. В рассматриваемой ТС - шариковой ручке тримминг фактор оказался минимальным для элемента - заглушки. Это логично, так как заглушка - наименее функционально-нагруженный элемент ТС. Поэтому этот элемент подлежит сворачиванию первым. Следующий по увеличению тримминг - фактора элемент - резиновая насадка. Этот элемент хотя и выполняет три функции, но все они имеет низкую функциональную значимость (две из них направлены на человека, поэтому являются не вспомогательными, а дополнительными и имеют низкую функциональную значимость). Этот элемент будем сворачивать вторым по счету.

2. Формулирование условий свертывания для выбранного элемента. После выбора элемента для свертывания необходимо сформулировать для него так называемые условия свертывания. Условия свертывания - это способы перераспределения полезных функций удаляемого элемента. Этих способов может быть несколько, но на практике, как правило, формулируются следующие три основные условия свертывания (Табл. 1).

Табл. 1. Условия свертывания элемента из технической системы (Из методики НИЦ "Алгоритм").

Пример. Сформулируем условия свертывания для заглушки в ТС "Шариковая ручка". Заглушку можно удалить, если:

А) Устранить из системы корпус ручки;

Б) Корпус ручки сам себя закрывает и удерживает;

В) Другие элементы ТС закрывают и удерживают корпус ручки.

Сформулируем условия свертывания для резиновой насадки.

Резиновую насадку можно удалить, если:

А) Устранить человека и корпус ручки;

Б) Пальцы человека будут сами фиксироваться на ручке, и сами будут амортизировать нагрузку, которую создают (функция "давит" на функциональной схеме); корпус ручки будет сам себя удерживать;

В) Другие элементы фиксируют пальцы человека на ручке, амортизируют нагрузку и удерживают корпус ручки.

3. Выбор варианта условий свертывания. После того, как сформулированы условия свертывания для элемента, из них необходимо выбрать одно, наиболее оптимальное для данного конкретного случая (несколько вариантов на практике выбирают редко). При выборе варианта руководствуются обычно следующими правилами. Предпочтительнее всего вариант "А", но его запрещается выбирать для элементов, которые выполняют основные функции. Вариант "Б" менее предпочтительнее, чем вариант "А", но лучше, чем вариант "В". Если выбирается вариант "В", то функция свертываемого элемента может быть передана тому элементу, у которого есть ресурсы для ее выполнения. Такими ресурсами являются следующие особенности элемента - нового носителя функции: элемент выполняет похожие функции, элемент не будет свернут, элемент взаимодействует со свертываемым элементом, элемент обладает набором свойств, которые необходимы для выполнения функции [5]. В случае невозможности свертывания элемента ни по одному из трех вариантов, на практике иногда рассматривают и другие условия свертывания. Например, "Элемент можно удалить из ТС, если его функцию можно не выполнять" (т.е. изменить техническую систему таким образом, чтобы необходимость в выполнении этой функции исчезла) или "Элемент можно удалить из ТС, если его функцию будет выполнять новый элемент (при этом, под новым элементом, как правило, подразумевают видоизмененный сворачиваемый элемент).

Пример. Выберем вариант условий свертывания для заглушки. Несмотря на то, что заглушка не выполняет основных функций, ее свертывание по варианту "А" не возможно, потому что устранять из системы корпус ручки нельзя, так как это один из самых функционально-нагруженных элементов. Рассмотрим вариант "Б". Корпус ручки сам себя закрывает и удерживает (здесь необходимо отметить, что функция заглушки -"удерживать корпус ручки", является достаточно условной; эта функция обратная функции корпуса ручки "удерживать заглушку", но ее необходимо было отметить по правилам функционального анализа). Вариант "Б" вполне может быть осуществлен. Действительно, корпус ручки может сам себя закрывать, т.е. он может быть выполнен цельным, без отверстия в конце ручки и соответственно без заглушки (Рис. 5).

Рис. 5. Свертывание заглушки в шариковой ручке

Выберем вариант условий свертывания для резиновой насадки (отметим, что функция резиновой насадки "удерживать корпус ручки" также является обратной функцией). Вариант "А" невозможен, потому что придется устранять человека. Вариант "Б" возможен, но не желателен, так как придется изменять человека (пальцы). Выбираем вариант "В" - передадим функции резиновой насадки другому элементу. В качестве такого элемента лучше всего использовать сам корпус ручки. Можно сделать корпус ручки не из жесткой пластмассы, а полностью из резины, и он будет амортизировать нагрузку, а на корпусе сделать насечки (ямки или выпуклости), которые будут фиксировать пальцы (такие же насечки, которые были на резиновой насадке) (Рис. 6).

Рис. 6. Свертывание резиновой насадки в шариковой ручке

4. Формулирование задач свертывания. После выбора варианта условий свертывания формулируют задачи, которые необходимо решить для реализации выбранного варианта. При многоэтапном свертывании, задачи формулируют на каждом этапе свертывания. Задачи формулируют в виде технических противоречий либо в виде вопросов. Поставленные задачи как правило решают методами технического творчества (АРИЗ, Функционально-Ориентированный Поиск и другие), используя научные достижения и разработки в данной области деятельности. Полученные задачи характерны тем, что являются достаточно глубокими, не видимыми для специалистов, их решение позволяет использовать скрытые резервы совершенствования ТС. Если реализации выбранного варианта свертывания ничего не препятствует, то формулируют предложения по усовершенствованию ТС [5].

Пример. В примере с шариковой ручкой, для заглушки задач свертывания нет, потому что ничто не мешает сделать цельный корпус ручки (стержень вставляется через разъемный корпус ручки). Ручки с цельным корпусом давно изготавливаются и имеются в продаже. Поэтому, результатом первого этапа свертывания в данном случае будет сформулированное предложение "Изготавливать ручку без заглушки с цельным корпусом". Если же у заказчика нет технологии, которая бы могла обеспечить изготовление таких корпусов, тогда задача свертывания может быть сформулирована. Эта задача будет касаться технологии изготовления, их может быть несколько. Формулировка задач может быть, например, следующей: "Как при существующей технологии изготовления обеспечить запайку торцов корпусов ручек?", "Как сделать так, чтобы запаивать корпус ручки было дешевле, чем вставлять туда заглушку?". Для решения такого рода задач потребуется полное понимание имеющейся технологии изготовления ручек. Эти задачи могут решаться в поставленном виде, либо могут быть переформулированы в противоречия.

В случае с резиновой насадкой, при изготовлении корпуса ручки из резины можно потерять два ее свойства - жесткость и прозрачность. Задача сохранения жесткости является задачей оптимизационного плана. Сегодня вполне можно подобрать резину, которая будет остаточно упругой для того чтобы амортизировать нагрузку от пальцев и достаточно жесткой, чтобы корпус сильно не изгибался. Поэтому задачи как таковой здесь нет, как и в случае заглушки, а есть предложение "Изготавливать корпус ручки из резины". Со вторым теряемым свойством (прозрачность) дело обстоит сложнее. Здесь задачу можно сразу сформулировать в виде технического противоречия: "Изготавливая корпус из резины мы повышаем его упругость, что хорошо для пальцев человека, но ухудшаем прозрачность, что плохо для глаз человека (не виден уровень чернил в стержне)". Если эту задачу в дальнейшем получиться решить, то можно считать второй этап свертывания состоявшимся. Функцию резиновой насадки фиксировать пальцы легко также переносим на резиновый корпус ручки - делаем на нем насечки.

Таким образом, в результате проведенных двух этапов свертывания на выходе имеем три предложения и одну задачу:

-Изготавливать ручку без заглушки с цельным корпусом;

-Изготавливать корпус ручки из резины;

-Изготавливать на резиновом корпусе ручки насечки;

-Ручка должна быть резиновой, чтобы быть упругой, и ручка должна быть из пластика, чтобы быть прозрачной"

5. Построение функционально-идеальной модели свернутой ТС. Перед построением функционально-идельной модели новой свернутой ТС рекомендуется строить схему свертывания элемента. На этой схеме отмечается сворачиваемый элемент и показывается перераспределение функций этого элемента. Саму функционально-идеальную модель новой ТС строят по тем же правилам, что и исходную функциональную модель. Если свертывание многоэтапное, то функционально-идеальную модель строят на каждом этапе свертывания.

Пример. На Рис. 5 показана схема свертывания заглушки и резиновой насадки. На практике рекомендуется строить такие схемы отдельно для каждого элемента (т.е. для каждого этапа нужна своя схема свертывания и своя новая функциональная схема). При удалении заглушки ликвидируется ее функция "удерживать корпус ручки" и сам корпус ручки больше не должен выполнять функцию "удерживать заглушку". Функция заглушки "закрывать корпус ручки" переносится на сам корпус ручки, т.е. корпус ручки будет сам себя закрывать. Поскольку мы определились, что корпус ручки будет цельным, то необходимость в выполнении этой функции отпадает, т.е. ее можно ликвидировать. При удалении резиновой насадки ликвидируется ее функция "удерживать корпус ручки", а у самого корпуса ручки, соответственно, ликвидируется функция "удерживать резиновую насадку". Две другие функции резиновой насадки - "Давить" и "Фиксировать" пальцы человека переносятся на корпус ручки (ранее имевшаяся у корпуса ручки "Фиксировать" имеет другой смысл -"фиксирует руку").

Рис. 7. Схема свертывания элементов и новая функциональная схема шариковой ручки после свертывания (фрагменты)

Из новой функциональной схемы после двух этапов свертывания (Рис. 5) видно, насколько упростилась конструкция шариковой ручки: исчезли два элемента и 5 функций, которые связывали эти элементы с остальными элементами системы. Необходимо отметить, что приведенный в настоящей работе пример с шариковой ручкой не нужно рассматривать как "руководство к действию". Пример выполнен достаточно "поверхностно" и только показывает как работает методика свертывания.

Таким образом, свертывание проводится после построения компонентной, структурной и функциональной моделей технической системы (ФСА). Методика свертывания включает пять основных этапов. Итогом свертывания являются предложения по усовершенствованию технической системы, а также задачи, которые необходимо решить для практической реализации новой ("сокращенной") технической системы.

Свертывание является эффективным инструментом разработчиков новой техники и позволяет не только технически упростить сами системы, но и повысить их надежность, улучшить функционирование, снизить затраты на изготовление и эксплуатацию, а также выявить и устранить нежелательные эффекты.

Список использованных источников

1. Б.Л. Злотин, А.В. Зусман. Законы развития и прогнозирование технических систем. Методические рекомендации. Кишенев: "Каpтя Молдовеняскэ", 1989, - 114с.

2. Альтшуллеp Г.С., Злотин Б.Л., В.И.Филатов. Профессия - поиск нового. Кишинев, "Каpтя Молдовеняскэ", 1985, - 196с.

3. В.М. Герасимов, С.С. Литвин. Учет закономерностей развития техники при проведении функционально-стоимостного анализа технологических процессов. Практика проведения функционально-стоимостного анализа в электротехнической промышленности. Под ред.М. Г. Карпунина, -М: Энегоатомиздат, 1987, с. 193-210.

4. С.С. Литвин, В.М. Герасимов. Основные положения методики проведения функционально-стоимостного анализа. Методические рекомендации. М. Информ-ФСА, 1991, - 40с.

5. В.М. Герасимов, С.С. Литвин. Основные положения методики проведения функционально-стоимостного анализа. Свертывание и сверхэффект. Методические рекомендации. Части 4 и 5. Журнал ТРИЗ 3.2.1992, с 7-45.


Главная    Инструменты    Свертывание элементов технических систем