Модель функционирующей технической системы (полезной системы)

Технические объекты создаются с целью производства полезного продукта, что достигается выполнением некоторой функции. Экскаватор копает котлован. Самолёт, поезд, корабль и автомобиль перевозят груз. Ручка наносит знаки на бумагу. Завод изготавливает самолёты и т.п. 

Коротко можно сказать, что: 

Функция технического объекта выражается в действии, направленном на изменение состояния материальных объектов. 

Функцию можно представить, как взаимодействие трёх компонентов – обрабатываемого объекта, инструмента и действия, которое тот производит. Инструмент воздействует на обрабатываемый объект, преобразует его и производит продукт – результат выполнения функции.

При анализе и проектировании эффективно рассматривать технические объекты в режиме функционирования, и строить модели технических систем, показывающие взаимодействие компонентов в момент выполнения требуемого действия. Назвать такую техническую систему можно «функционирующей». Если вернуться к аналогии с патентным правом, то такая модель отсылает нас к чему-то вроде «машины в работе». 

Примеры потенциально работоспособных технических систем: телефон, экскаватор, ручка, компьютер, завод по производству микросхем, палка для сбивания яблок, шуруп, спутниковая система навигации и т.п.

Примеры функционирующих технических систем: разговаривающий по телефону человек, закрытый замок, производящий микросхемы завод, летящий самолёт, работающий компьютер и т.п.

Цель функционирования системы – произвести полезный продукт. Для этого она создаётся, для этого поддерживается её работа. Поэтому такую систему можно назвать полезной системой.

В модели полезной системы набор компонентов расширен. Кроме «ядра» системы Г. С. Альтшуллера (двигатель, трансмиссия, инструмент, орган управления) она система включает источник энергии, обрабатываемый объект. В результате работы системы получается полезный продукт.

• «Обрабатываемый объект» – это тот компонент, который обрабатывается инструментом и преобразуется в полезный продукт. 
• «Инструмент» непосредственно воздействует на обрабатываемый объект. 
• «Источник энергии» поставляет энергию для работы системы.
• «Двигатель» преобразует энергию в тот вид, который нужен для функционирования инструмента.
• «Трансмиссия» отвечает за передачу этой энергии от двигателя к инструменту.
• «Орган управления» обеспечивает скоординированную работу всех компонентов системы. 

Взаимосвязь этих компонентов показана на рисунке. 

Важно отметить, что все перечисленные компоненты системы – это не обязательно отдельные технические узлы и детали. «Двигатель», «трансмиссия», «орган управления» – это роли компонентов системы, их функциональные «обязанности». Один и тот же компонент может иметь две или более ролей одновременно, каждая роль в этом случае выполняется какой-то частью компонента. И, наоборот, одна и та же роль может быть у нескольких компонентов. То есть, при построении системы следует учитывать, что устройство может быть представлено не только как совокупность компонентов, но как набор функциональных модулей.

Управляемость системы

Отдельно надо сказать об управляемости системы.

Органы управления воздействуют на все другие компоненты системы, согласуя её параметры с условиями работы. Можно выделить три уровня такого согласования.

Начальное согласование параметров системы с некоторыми усредненными условиями работы, проводимое на стадии проектирования и изготовления. Такое согласование может быть статичным – автомобиль устойчив и когда стоит, и когда едет. Пример динамичного согласования – велосипед, который устойчив только в движении.

Периодическое согласование, которое осуществляется время от времени при эксплуатации системы за счёт компенсирующих регулировок.

Окончательное согласование параметров системы с изменяющимися условиями работы, для чего необходимо предусмотреть возможность оперативного управления, то есть быстрого и сравнительно простого изменения параметров системы при изменении условий её функционирования. 

Пример. Карандаш как совокупность функциональных модулей

Обычный карандаш включает графитовый стержень (грифель), деревянный корпус и слой краски на его поверхности.  Если мы хотим построить функционирующую техническую систему, то карандаш лучше представить как несколько функциональных модулей:

1. Собственно пишущая часть - кончик грифеля, которая и оставляет след на бумаге.
2. Спейсер – часть карандаша от грифеля до руки, удерживающая кисть пишущего в правильном положении.
3. Часть для держания – место контакта руки и карандаша.
4. Запас – часть карандаша над рукой, которая не участвует непосредственно в работе, но укорачивается по мере износа грифеля.

Как мы видим, при работе карандаша его модули выполняют самые разные функции, но их компонентный состав практически одинаков: грифель, деревянный корпус, краска. Техническая система для получения следа на бумаге будет следующей:

Простейшая техническая система

Технические устройства могут быть разными – от завода, где тысячи рабочих из сотен тысяч частей собирают самолёт, до простейшего ручного инструмента, к примеру, молотка, которым забивают гвозди. 

Для работы с задачей нам нужно сконцентрироваться только на проблемном месте, не изучая машину во всех подробностях. Нужно рассмотреть то действие, которое в этом месте происходит, и понять – участие каких компонентов обеспечивает выполнение этого действия. Эти компоненты составляют так называемую простейшую полезную систему.

В простейшей полезной системе происходит только одно преобразование энергии на пути от источника энергии до инструмента (преобразовываться может как вид энергии, так и параметры энергетического потока).

Простейшая полезная техническая система определяется через продукт – результат её действия. Зная, что продукт – это преобразованный обрабатываемый объект, мы находим первый компонент системы. Остальные компоненты определяются через анализ их функциональных ролей. 

Пример. Распылитель краски как простейшая техническая система

В составе пневматического распылителя краски есть ёмкость со сжатым воздухом (ресивер), трубопроводы, сопло. Когда оператор нажимает кран, воздух выходит из ресивера, проходит по трубопроводам и с большой скоростью истекает из сопла. В струю воздуха подаётся краска. Воздух подхватывает краску, дробит её на микрокапельки, образуя так называемый факел распыла.

Полезный продукт – факел распылённой краски.

Минимальный состав данной системы следующий:

«Обрабатываемый объект» – краска. 

«Инструмент» – поток воздуха в сопле. 

«Источник энергии» – сжатый воздух в ресивере.

«Двигатель» – место выхода сжатого воздуха из ресивера, где его потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию движущегося воздуха.

«Трансмиссия» – трубопроводы, которые передают движущийся воздух от ресивера к соплу. 

«Орган управления» – кран пуска воздуха и оператор.

Построение модели простейшей полезной системы – важное действие при решении задач. При помощи этой модели мы уточняем состав и функционирование анализируемого технического средства, можем уточнить компоненты, участвующие в выполнении проблемных операций технологического процесса и их роли, найти совокупности компонентов, при работе которых получаются вредные продукты, и, наконец, модель системы помогает нам получить идею решения задачи. Важность понимания того, как строится модель системы для различных технических средств переоценить трудно, поэтому приведём еще пару примеров. 

Пример. Модель  полезной системы для фрезы по металлу 

Фреза вращается электродвигателем через валы и редукторы и срезает слой металла с неподвижной заготовки.

Поток энергии выглядит следующим образом. 

Электроэнергия поступает от сети, преобразуется в двигателе во вращение, далее она  передаётся самой фрезе и приходит к режущим элементам, которые и обрабатывают деталь. 

Собственно модель системы выглядит следующим образом:

Пример. Модель полезной системы для токарного станка

В токарном станке уже вращается сама обрабатываемая заготовка. Резец закреплён неподвижно относительно корпуса станка (боковое перемещение резца для простоты учитывать не будем). 

Сами технические средства весьма похожи, имеют одинаковый принцип действия – резание металла твёрдосплавными элементами. Но модель системы в этом случае построить труднее. Действительно, активную роль выполняет резец, но ведь он – неподвижен. Откуда же берётся энергия?

Энергия может поступить к резцу только от одного возможного источника – от вращающейся детали. 

Что тогда есть двигатель в этой модели?

Энергия поступает от вращающейся детали и проходит через режущий элемент в тело резца. Поскольку резец и его держатель выполнены из прочного и жёсткого материала, энергия частично рассеивается и превращается в тепло, но большая её часть отражается и возвращается к острию режущего элемента. Образуется своеобразное энергетическое кольцо, которое и обеспечивает резание металла заготовки. Модель полезной системы выглядит следующим образом:

Из простейших систем, как из кирпичиков, можно собирать полезные системы любой сложности. 

Пример. Автомобиль как совокупность двух простейших систем

Автомобиль, перевозящий груз, можно представить  как совокупность двух простейших полезных систем. 

В одной из них «двигатель» (двигатель автомобиля) преобразует энергию топлива во вращение коленвала. Далее это вращение передаётся к осям (в данной системе это «инструмент»), которые воздействуют на колёса, заставляя их вращаться. Получается техническая система для вращения колёс. Однако одного вращения колёс для движения автомобиля недостаточно. 

Чтобы автомобиль поехал, нужно ещё одно преобразование энергии - момент вращения колёс должен быть преобразован в силу, поступательно движущую автомобиль по дороге. «Двигатель» здесь – вращающиеся колёса, прижимаемые весом автомобиля к дороге. Энергия передаётся через раму автомобиля к «инструменту» – кузову. Кузов удерживает груз («обрабатываемый объект»). Вот эта система уже может перевезти груз.

Прежде, чем идти дальше, нужно сделать одну важную терминологическую оговорку. Выражения «система» и «техническая система» активно используются и в среде инженеров, и в ТРИЗ. При этом могут подразумеваться как мыслительные построения, так и вполне материальные объекты. Например, когда мы говорим об анализе и моделировании, то техническая система – это мыслительная проекция реального объекта. Если же речь идёт о развитии технических систем или об экспериментальной проверке решений, то системами здесь называются материальные устройства. Кроме того, термин «техническая система» может быть спутан с понятием «инженерная система», то есть система, включающая компоненты машин. Это в корне неправильно, поскольку изобретательская задача в ОТСМ-ТРИЗ может быть сформулирована для любой области деятельности. Это, конечно же, техника в её инженерном понимании, а так же задачи, относящиеся к менеджменту, рекламе, продажам и т.п. Исходя из этого, компонентами технической системы могут быть как части  машин, так и коллективы работников, денежные и материальные потоки, элементы программного обеспечения и другие варианты компонентов. Здесь речь уже может идти о «социальных», «бизнес», «менеджерских» и других системах, где рассматриваются некие совокупности компонентов, выполняющих какую-то «технику» и дающие в результате некий продукт.

Вносить какие-то новые понятия, ломать устоявшийся профессиональный язык – нецелесообразно, поэтому дальше по тексту мы просто будем пользоваться понятиями «система», «полезная система» или «вредная система», полагая, что это система, организованная по шаблону, приведённому на этой странице. Надеемся, что читателю по контексту будет понятно, о какой системе – инженерной, социальной, бизнесовой или какой-то другой – идёт речь.