Гусев / Методы научных исследований

На третьем этапе анализируются собранные данные. Информация распределяется по направлениям развития, и по годам публикации. Затем для каждого потребительского свойства ″Р″ вычисляется модель темпа его изменения в виде прямой:

Рi = P0+k ti,

где, Рi – значение показателя на момент времени, (номер

года) ti;

P0 - значение показателя на исходный момент времени, (ti = 1), определяемое по формуле:

где, к – коэффициент изменение показателя Р во времени

ti:

где, ti – номер года от исходного (ti – 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 мнении потребителей или на мнении разработчиков. Вычисление коэффициентов весомости можно произвести по изобретательской активности: т.е. чем больше изобретений посвящается улучшению показателя, тем он весомее. Появление числа патентов улучшающих потребительские свойства по годам апраксимируют показательной функцией:

Qj=c exp (q t)

где, Qj – число изобретений по j-му показателю в t-й год; с и q - постоянные коэффициенты.

191

Сумма весомости всех показателей должна быть равна 1. Весомость каждого показателя оценивается по коэффициенту qj перечитывая их на весомость γj c учетом:

u

∑γ j =1

j=1

где, и – количество показателей.

Соответственно весомость:

Анализ тенденций развития техники по изменению потребительских свойств используется и для прогнозирования показателей перспективной разработки, обоснования технического задания на объект разработки. Так, например, зная уравнение динамики изменение показателя Рj:

Pj=С+b ti,

можно определить его прогнозное значение на конец интересующего периода t.

Pjt=(С+b ti),

или с учетом средне квадратного отношения Sj

где Wi – 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)

Pjt1 = Pjt ( 1 ± S )

Полученные значения показателя принимается за исходные требования на разработку объекта.

Тенденции развития техники можно по изменению потребительских свойств можно определить и ″методом гистограмм″

192

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 каждому показателю Рi 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 разряда составлял:

р = Pmax − Pmin ,

R

где Рmax и Рmin – граничные значения показателя. Полученные значения разрядов показателя Р наносят на

ось абсцисс. По оси ординат откладывают число объектов, которые по значению параметра попадают в соответствующий разряд. Желательно, чтобы R ≥ 6.

Обычно на гистограммах выявляется три характерные зоны:

1 – зона наиболее часто встречающихся значений. Он называется – интервал наиболее вероятных значений параметра 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 прогнозным значением исследуемого показателя на краткосрочную перспективу ( 5 лет).

193

Разброс значений, представленный на гистограмме, представляет область реальных значений показателя объектов – аналогов на текущий момент времени t0. А так же модельное значение изменяется по времени, то можно определить период времени t за который модельное значение сдвинется со значения Рto до нового Р.

Pto = Po + Kto

Pt = Po + K (to + t).

отсюда:

t = Pto k− to = kP

Задавая различные значения прогнозируемого показателя (Рt) можно определить вероятные целесообразные сроки достижения заданных значений.

При разработке нового объекта техники неизбежно использование в нем уже известных решений. Поэтому необходимо решать вопросы о соблюдении прав патентовладельца либо предусмотреть мероприятия по беспрепятственной реализации технического решения: приобретение лицензии; опротестование 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 совершенствование технической системы (ТС). Объективным критерием совершенства технического объекта является степень его приближения к идеальному решению (системе). В свою очередь идеальная техническая система (ИТС) это система которой нет, а функции её выполняются [17]. Это не красивый парадокс, а ситуация при которой множество элементов 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 функционирования. Рассмотрим некоторые из них.

194

1. Закон полноты частей системы

Необходимым условием принципиальной жизнеспо- собности технической системы являются наличие и минимальная работоспособность ее основных частей: двигателя, трансмиссии, рабочего органа управления (см. рис. 8.3).

Орган управления

Изделие

Рис. 8.3. Структура технической системы

Двигатель-это элемент, в котором энергия преобразуется в нужный для системы вид. Трансмиссия-это элемент, по которому 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 системы своих функций. Если в схему включить изделие, то получится 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 неработоспособна, то такая система не выживет.

Следствие из закона полноты: чтобы техническая система была управляемой, необходимо, чтобы хотя бы одна ее часть была управляемой.

2.Закон энергетической проводимости системы.

195

Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является сквозной проход энергии по всем частям системы.

Следствие из закона: чтобы часть системы была управляемой, необходимо обеспечить энергетическую проводимость между этой частью и органом управления. Если энергия не будет проходить сквозь всю систему, то она не будет работать.

Многие задачи сводятся к подбору, поля и вида передачи энергии, наиболее эффективных для данных условий. При этом следует руководствоваться тремя правилами:

-при разработке системы надо стремиться к использованию 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 проводится веществами частей системы.

-если вещества частей системы можно менять, то плохо управляемое поле заменяют на хорошо управляемое по цепочке: гравитационное - механическое – тепловое – магнитное – электрическое - электромагнитное. Одновременно заменяют 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 сознательное рассогласование) частоты колебаний (периодичности работы) всех частей системы. Смысл закона состоит в том, чтобы не тратить энергию на гашение этих колебаний, а использовать 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 устранить изобретатель. Противоречия, проявляющиеся в технической системе в виде ухудшения одного ее качества при

196

улучшении другого качества – называются техническими противоречиями.

Стремясь убрать конфликтующие, противоречивые отношения между внешними сторонами системы, получают противоречие внутри системы, на уровне свойств и взаимодействия элементов – это уже физические противоречия.

5.Закон увеличения степени идеальности системы Закон отражает общую идеологию совершенствования

систем. Развитие системы должно быть направлено к максимальному 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 увеличением её главной полезной функции (ГПФ). Закономерность 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 технической системы наталкивается на объективные ограничения роста сложности и начинается период свертывания с увеличением 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-

197

менте, использования энергетических и “вещественных” полей.

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 несколькими 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 противоречия без введения дополнительных элементов в систему, без её усложнений, а в “идеале” и без привлечения дополнительной энергии. Конечно, реально достигнуть ИКР трудно или невозможно, но “идеальный” эффект помогает найти наиболее эффективное и рациональное («сильное») изобретательное решение.

Например, в упомянутом изобретении (п. 8.1) среда сама регулирует свое направление истечения без каких-либо дополнительных регулируемых органов.

Теория решения изобретательских задач предлагает систему стандартов, при помощи которой можно найти эффективные решения технических проблем [11].

8.3.2. Теория решения изобретательских задач

Смысл теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) сводится к нахождению модели идеального решения рассматриваемой задачи и, на основе законов развития технических систем, подтягивания к нему реального решения. Совершенствование систем предполагается проводить по заранее сформулированным правилам - алгоритму решения изобретательских задач (АРИЗ).

АРИЗ – единая система, состоящая из взаимосвязанных между собой разделов, основными из которых являются:

198

1.Вепольный анализ, который рассматривает в системе нарушения взаимосвязей между веществом (ве) и энергией (полем) – (веполь).

2.Стандарты - конкретные пути восстановления работоспособности системы с позиции вепольного анализа.

3.Информационный фонднабор эвристических приемов устранения технических противоречий, задачи-аналоги, физико-химические, геометрические и другие эффекты.

ТРИЗ является следствием системного подхода, который 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 достижение 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 направлен на выявление определенных связей отдельных элементов системы с энергетическим ресурсом.

Как и физические законы, которые одинаково проявляются в различных ситуациях, так и законы развития техники едины для всех ее систем и позволяют предсказать "поведение" 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 группы. Для решения задачи необходимо определить класс, к которому она относится, провести вепольный анализ, выявить подкласс и группу.

199

Нахождение идеального решения технической задачи невозможно без четкого представления об «идеальности системы». 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 пространства в технической системе должны быть только те свойства и взаимодействия, которые необходимы для получения полезного результата ("ничего лишнего");

3.Необходимо максимально использовать имеющиеся свойства и взаимодействия элементов системы и ее окружения, устранять потери и отходы ("из лишнего - максимальную пользу");

4.Необходимо доводить до минимума затраты времени на получение полезного результата ("получить сразу, мгновенно").

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 максимальное использование всех резервов системы. Он применяется наиболее часто, поскольку совершенно неизбыточных систем не бывает.

Четвертый принцип идеальности соответствует повышению эффективности происходящих в системе процессов. Основной путь его реализации, кроме интенсификации процессов, - сокращение числа операций и совмещение их в пространстве 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 направлении так же выработаны некоторые формальные приемы.

Первое: сохраняя функцию неизменной, техническая система упрощается, уменьшается в габаритах, облегчается, уменьшается потребление энергии.

200