ПРИМЕНЕНИЕ ВЕПОЛЬНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ СОЗДАНИЯ БАЗЫ ДАННЫХ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ

В настоящее время известно, по разным оценкам, от 2 до 4 тысяч физических эффектов (ФЭ). Этот массив информации открывает перед изобретателем огромные возможности для создания новых систем. В том случае, если он имеет возможность доступа к любому из этих эффектов в компьютерной базе данных. При современном уровне развития компьютерных технологий размещение такого объёма информации не представляет сложностей. Проблема заключается в методе организации этой базы данных (БД).

База данных должна позволять ассимилировать новые ФЭ из разных областей техники, находить нужные пользователю ФЭ и связывать их в цепочки, которые могут быть положены в основу физического принципа действия вновь разрабатываемой технической системы. Однако, известные физические эффекты весьма разнообразны по входным и выходным характеристикам и представляют собой различные сочетания взаимодействий веществ и полей.

Известны реализованные примеры построения баз данных по схеме, приближенной к пониманию физико-технического эффекта (ФТЭ) человеком:

<входящее воздействие> - <выходящее воздействие> - <дисциплинирующие условия> [3, 6].

Таким способом можно описать практически любой известный эффект. Унифицируя входящие и выходящие параметры, получим возможность соединять физические эффекты в цепочки, согласуя выход одного описания с входом другого.

Однако, можно подойти в проблеме создания модели базы данных физико-технических эффектов с другой стороны - выявить общие закономерности их формирования, к поиску которых, кстати, призывал Г.С. Альтшуллер [5].

волн, это физические эффекты, а использование зеркала в виде параболоида вращения, собирающей или рассеивающей линзы - это уже ФТЭ.

Вещественно-полевой анализ Г.С. Альтшуллер предложил как методический приём целенаправленного поиска ресурсов и для разрешения противоречий в технических задачах.

В словаре русского языка понятие вещество определяется как качественная сущность материи; то из чего состоит физическое тело [4].

Альтшуллер Г.С. использует этот термин в более широком смысле: "В вепольном анализе (т. е. анализе вещественно-полевых структур при синтезе и преобразовании технических систем) под "веществом" понимают не только вещество, но и технические системы и их части, а иногда и внешнюю среду" [2, с. 77].

"Термин "поле" имеет различный смысл. В физике под полями понимают такие физические явления, как гравитация, электромагнитные взаимодействия, ядерные взаимодействия. В математике, сельском хозяйстве, геологии, общественной жизни слово "поле" имеет другой смысл. Понятие поля в ТРИЗ ближе всего к физическому, но имеет свои отличительные особенности. Под полем в "техническом" смысле мы будем понимать взаимодействие между объектами (веществами). …" [1, с. 61]. Большое количество свойств и комбинаций взаимодействия веществ и полей требует создания такой логической структуры БД, которая позволяла бы за счёт комбинирования известных физических и геометрических эффектов синтезировать новые принципы действия технических систем. В качестве основы для описания физических эффектов была выбрана модель, основанная на вепольном анализе, предложенном Г.С. Альтшуллером.

Ставилась задача предоставить пользователю информацию, позволяющую ему осуществить поиск вещественно-полевых ресурсов для синтеза физического принципа действия (ФПД), с помощью которого можно было бы выполнить требуемую физическую операцию (ФО) (рис. 1).

Физическая операция - это наименование выполняемых ТО или его компонентом операций по взаимодействию веществ и полей с указанием входных и выходных величин, и дисциплинирующих условий. Физическая операция основана на некотором физическом принципе действия (ФПД).

ФПД - это совокупность ФТЭ, то есть законов, закономерностей и правил, лежащих в основе функционирования ТО или его компонента, характеризуемого определённой структурой. ФПД - используется для формирования физической операции (ФО).

ФЭ - это известные из фундаментальных и прикладных наук явления, законы, закономерности. Например, законы физического и химического взаимодействия, принципы и закономерности, разработанные в таких науках как материаловедение, детали машин, сопротивление материалов, электротехника и др.

Под ФТЭ будем понимать совместное действие ФЭ, реализуемое на определённой форме тела. Например, законы отражения и преломления

Г.С. Альтшуллер не сформулировал чётких правил формирования вепольных моделей, а дал только некоторые рекомендации [1, с. 91]. Поэтому для одной ТС разные эксперты могут составить различные вепольные модели. Тогда возникает проблема, какая их них адекватно отражает моделируемый технический объект.

Модель должна быть адекватна объекту, активизировать мышление при решении задачи. Значит, она должна направлять мышление на поиск веществ и полей, с помощью которых можно было бы выполнить требуемую физическую операцию, получить нужное свойство или устранить нежелательное явление, плохое взаимодействие.

Вепольные модели, предложенные Г.С. Альтшуллером, описывают структуру взаимодействия веществ и полей, не раскрывая сущности конкретного физико-химического процесса, поэтому их можно рассматривать как более высокую степень абстракции по сравнению с описанием физического принципа действия (ФПД). Высокая степень абстрактности моделей вепольного анализа, с одной стороны, делает его универсальным, но, с другой стороны, не позволяет описывать частные случаи без введения дополнительных уточнений.

При поиске ресурсов Г. С. Альтшуллер предложил использовать следующие поля: механическое, акустическое, тепловое, химическое, электрическое, магнитное, электромагнитное, а для лучшего запоминания этих полей ввёл аббревиатуру МАТХЭМ.

Но с тех пор практиками вепольного анализа при решении задач используются самые разные поля, лишь бы они описывали существующее взаимодействие. Такое их разнообразие весьма затрудняет компьютерную формализацию. Для облегчения процедуры необходимо классифицировать поля по какому-либо признаку.

В общем случае поля можно разделить на две группы.

Природные физические поля: гравитационное, электрическое, магнитное, электромагнитное. Физические поля могут быть привязаны к конкретной физической системе, например, электромагнитное, температурное и т.д.

Абстрактные поля, характеризующие распределение каких-либо параметров в пространстве, например, скоростей, давлений, температур и пр., не привязанные к физическим системам. Абстрактные поля не привязаны к физическому носителю и описывают полевые характеристики веществ и взаимодействия между веществами и полями. К ним могут быть отнесены геометрические характеристики: форма, направление; кинематические характеристики: скорость, ускорение, частотные и временные параметры. Введение понятия абстрактного поля позволяет описывать эффекты не привязанные к конкретной физической системе в тех случаях, когда свойства вещества имеют второстепенное значения, например, отражение волн, кинематические эффекты (эффект Доплера, гироскопические эффекты и др.).

Это деление в некоторой мере условно. В его основу положено свойство природных физических полей распространяться без участия среды. В то время как абстрактные поля являются полевыми характеристиками свойств веществ и физических полей.

Многие абстрактные поля распространяются только в веществах, например, звуковые волны, температура, давление, механические напряжения. Мы мыслим этими категориями, отвлекаясь от веществ - носителей этих свойств.

Если рассматривать вепольную модель как модель технической системы, то физическое поле, как компонент системы вполне вписывается в вепольную модель, то как быть с абстрактными полями, с геометрическими эффектами? Она их практически не отражает. А они имеют большое значение в формировании ФПД, синергетического эффекта.

Если определить поле как пространство, каждой точке которого можно поставить в соответствие некоторую скалярную или векторную величину, то это понятие будет хорошо согласовываться с понятием поля, принятым в физике и математике.

Мы можем влиять на системные свойства веществ, создавая в них поля. Например, для отделения твёрдых частиц из жидкостей создают поле центробежных сил, для повышения ресурса конструкций, находящихся под действием знакопеременных нагрузок, в поверхностном слое создают внутренние сжимающие напряжения.

Поля могут быть скалярные, например, поле давлений в жидкости, поле распределения температур, концентрации одного из веществ в некоторой смеси и т. д., и векторные, например, магнитное поле, поле скоростей, ускорений и др.

Многие свойства веществ проявляются при взаимодействии с физическими полями, например, теплопроводность, электропроводность, прочность, магнитные свойства и т. д. Мы можем обнаружить эти свойства, только если обеспечим взаимодействие вещества с соответствующими полями.

Форму тела можно, с одной стороны, рассматривать как некоторую полевую характеристику вещества и, с другой стороны - как взаимодействие вещества и абстрактного поля, - формы тела. В результате этого взаимодействия проявляется синергетический эффект.

Например, если плотность вещества больше плотности воды, то оно утонет, но если этому твёрдому веществу придать форму с полостью, то оно будет плавать. Кроме того, ему можно задать такую форму, которая придаст телу остойчивость (рис. 2) и устойчивость при движении в жидкости.

Рис. 2. Форма судна придаёт ему остойчивость.

Стержень в виде трубы или швеллера имеет отличительные свойства по сравнению со стержнем в виде прутка. Труба гофрированная и гладкая, лист гофрированный и гладкий, проволока в виде прямого куска и свёрнутая в спираль также отличаются некоторыми свойствами, которые можно использовать для решения задач.

Таким образом, форма тела, геометрическое поле - это одно из средств влияния на свойства веществ, получения синергетического эффекта. Форму тела можно рассматривать как наложение поля на вещество, как ресурс для решения задач.

Например, процессы токарной обработки, шлифования можно охарактеризовать такими полевыми характеристиками как: поверхность контакта между инструментом и заготовкой; напряжениями, возникающими в поверхностном слое, температурой, напряжениями и деформациями, возникающими в теле заготовки и инструменте.

При обработке давлением можно рассмотреть две полевые характеристики: инструмент создаёт внутри заготовки поле напряжений; поверхность контакта инструмент - заготовка это тоже полевая характеристика.

Таким образом, взаимодействие веществ может характеризоваться не одним, а несколькими видами полей. Изменяя эти поля, можно влиять на свойства исследуемых процессов.

В работе [1, с. 91] утверждается, что "…веполь является минимальной моделью технической системы…", а чуть ниже отмечается, что вепольная запись - это "модель задачи".

В рассуждениях Г.С. Альтшуллера вепольные структурные модели чаще трактуются как модель технической системы. Описание связей между веществами и полями даётся на уровне описания задачи - взаимодействие: необходимое, недостаточное, нежелательное. То есть даётся оценка - хорошая связь или плохая.

Г.С. Альтшуллер рассматривает только физические поля. Он утверждает что, вепольная модель отражает структуру вещественно-полевых взаимодействий. Но в этом случае вещественно-полевое взаимодействие отражается только на уровне - есть связь между веществами и полями или её нет, а характер связей не раскрывается.

Техническая система, как правило, состоит из нескольких компонентов, каждый из которых выполняет некоторую физическую операцию. Поэтому построение вепольной модели для всей ТС приведёт к получению весьма сложной системы веполей, которая потеряет обозримость.

Вепольную модель, с одной стороны, можно рассматривать как модель задачи, которая выделяет оперативную зону для поиска решений, даёт некоторый зрительный образ, активизирующий мышление, что позволяет более глубоко вникнуть в рассматриваемую проблему и наметить пути поиска вещественно-полевых ресурсов.

С другой стороны, вепольную модель можно рассматривать как некоторую абстрактную модель физического принципа действия некоторой физической операции.

В самом общем случае её целесообразно представить в следующем виде:

Абстрактные поля часто используются для описания взаимодействия между веществами, например, поле распределения напряжений или форма тела. Абстрактное поле не является компонентом системы, оно только характеризует количественную характеристику вещества или взаимодействие между веществами. Поэтому присутствие абстрактного поля в модели может ориентировать на применение приёма "Произвести количественные изменения во взаимодействии компонентов", - изменить характер полевого взаимодействия, изменить форму тела, характер его движения и т.д.

Таким образом, физическое поле можно рассматривать как компонент непосредственно участвующий в формировании ФПД, - введение поля изменяет системные свойства объекта. Например, введение теплового, электрического, магнитного поля и др.

Абстрактные поля характеризуют взаимодействия между веществами, их можно рассматривать как связь, изменение которой может приводить к изменению системных свойств объекта. Модель должна отражать существенные стороны рассматриваемого процесса (явления), а полевая характеристика, - это весьма существенное свойство, как самих веществ, так и их взаимодействий.

Вепольная модель ориентирует разработчика на следующую цепочку рассуждений: какие вещества и поля можно использовать для синтеза ФПД, какими свойствами они должны обладать для получения нужного эффекта - физической операции? Поиск веществ и полей начинается не с перебора всех возможных - это, практически реализация метода проб и ошибок, а с формулирования свойств, которыми они должны обладать.

Поэтому в описании физико-технических эффектов нужно, прежде всего, заложить свойства веществ и полей.

В физических эффектах используются свойства вещества, а вещество - это носитель свойства. Поэтому вещество можно заменить списком свойств, которые участвуют в описании ФЭ. Свойства, при этом, проявляются в виде реакции вещества на то или иное воздействие.

В зависимости от вида воздействия и характера отклика свойства веществ могут быть классифицированы.

Во многих физико-технических эффектах могут быть одновременно задействованы физические и абстрактные поля, например, эффект преломления волн. В этом случае для описания эффекта используется как свойство вещества - показатель преломления, так и его форма - в случае линзы. Поэтому в описание ФТЭ целесообразно ввести понятие рабочего вещества , представляющее собой сочетание свойства самого вещества и свойств, обусловленных его геометрическими характеристиками (формой, размерами).

При разработке базы данных физико-технических эффектов можно выделить три простые формы взаимодействия:

1. Физические законы - взаимодействие или связь между входным и выходным полями, где вещество играет роль посредника или преобразователя:

Пф1 → В → Пф2

Например, электрическое поле (Пф1) преобразуется в магнитное (Пф2).

2. Физические зависимости - изменения свойства вещества при воздействии на него физического поля. На выходе эффекта - измененное свойство вещества В(Св2).

Пф → В(Св1)→ В(Св2)

где Св1 - свойство вещества, обусловливающее его взаимодействие с полем, Св2 - изменение другого свойства вещества.

Например, при увеличении температуры терморезистора (Пф) изменяется его электрическое сопротивление - В(Св1)→ В(Св2).

К этой же форме можно отнести фазовые переходы, которые, по сути, также являются изменением свойств вещества, только в резкой форме.

3. Кинематические и геометрические эффекты, в которых существенную роль играют форма, размеры рабочих тел и их изменения во времени. Причем, свойства веществ, влияющие на существование самого эффекта (например, коэффициент отражающей способности для эффекта отражения), подразумеваются по умолчанию.

Пф → В(Св1, Па1) → Па2,

где Па1 -полевая характеристика вещества, Па2 - изменение полевой характеристики физического поля Пф.

Например, параболическое зеркало (В) за счет отражательной способности (Св1) и своей формы (Па1) собирает (Па2) падающее на него излучение (Пф) независимо от природы излучения.

При изменении температуры тела (Пф), изменяются его геометрические размеры и форма (Па); В(Св1) в этом процессе является коэффициентом.

В таких формах можно выразить основные ФТЭ. Более сложные известные эффекты должны получаться путем комбинирования простых. Таким образом, появляется возможность не только описывать ФТЭ, но и генерировать их.

Выводы .

1. Вепольную модель можно рассматривать как абстрактную модель физического принципа действия (см. рис. 3). Техническая система состоит из множества веполей, связанных друг с другом. При решении частной задачи актуализируется отдельный веполь.

2. Поля в вепольном анализе могут быть разделены на физические и абстрактные. Физические привязаны к областям физики, абстрактные описывают распределение параметров, геометрию, временные и кинематические характеристики.

3. При поиске вещественных ресурсов для решения задачи основным критерием является свойство вещества реагировать определенным образом на полевое воздействие. По свойству выбирается подходящее конкретное вещество.

4. База данных физических эффектов может быть создана на основе вепольной модели. Необходимо сделать классификацию свойств веществ и полей, формализовать правила построения вепольных моделей.

Литература.

1. Альтшуллер Г. С., Злотин Б. Л., Зусман А. В., Филатов В. И. Поиск новых идей: от озарения к технологии (Теория и практика решения изобретательских задач). - Кишинёв: Картя Молдовеняскэ, 1989.

2. Альтшуллер Г.С. Найти идею. Введение в теорию решения изобретательских задач. - Новосибирск: Наука, 1986.

3. Глазунов В.Н. Поиск принципов действия технических систем. М., "Речной транспорт", 1990.

4. Ожегов С.И. Словарь русского языка. - М.: Изд-во "Русский язык", 1975.

5. Указатель физических эффектов и явлений. Рукопись. Обнинск, 1979.

6. Фоменков С.А., Колесников С.Г. Представление физических знаний в автоматизированном банке физических эффектов // Известия вузов. Машиностроение. 1998. №. 1-3.

Возврат к Доклады на конференции "MATRIZ Fest 2005"