КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ: ЕДИНАЯ МЕТОДИКА РАНЖИРОВАНИЯ ФУНКЦИЙ И СВЕРТЫВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

Б. М. Аксельрод

1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

Известна методика (в дальнейшем — прежняя) ранжирования функций и свертывания элементов [1,2], позволяющая достичь высоких результатов. Однако ряд недостатков, присущих ей, затрудняют ее точное применение во многих конкретных приложениях.

1. Различны подходы к ранжированию функций элементов конструкций и технологий. Функции конструкций ранжируются по отношению к объекту главной функции (ГФ) ТС, в то время как для технологий вводится классификация операций на четыре типа при их недостаточно четкой иерархии.

2. Принципиально важно, рассматривается ли ТС как конструкция или как технология. Однако не всегда есть уверенность в том, какой подход к системе эффективнее. А при попытке применить ФСА к социальным структурам (организациям) это сразу становится камнем преткновения.

3. При ранжировании возможна неоднозначность идентификации объектов, «совпадающих с объектом ГФ ТС» [2, стр. 9]. Существует возможность формального присвоения функцией, порождающей основу действия ТС, ранга вспомогательной; существует возможность присвоения вспомогательной по существу функцией ранга основной.

4. При анализе технологий возможна неоднозначность классификации операций, влекущая неоднозначность последующих действий. Например, операция подачи охлаждающей жидкости. Какая она? Обеспечивающая (по определению)? Исправляющая (перегрев)? Создающая (отвод потока тепла)?

5. Анализ потоков при ранжировании и свертывании «не работает».

6. Низкая информативность, «слепота» ранговых обозначений не помогает ощутить причинно-следственные зависимости.

7. Некоторые классы технических задач, например, из областей статических конструкций, измерительно-преобразовательной техники, не находят удовлетворительного рассмотрения в рамках прежней методики.

Были выбраны следующие критерии эффективности новой системы.

1. Устранение выявленных недостатков прежней методики.

2. Сочетание формализации правил на уровне не ниже чем у прежней методики — для конструкций — и глубины, детализации анализа на уровне не ниже чем у прежней методики — для техпроцессов.

3. Она должна оперировать небольшим числом однозначно определяемых типов функций (а не операций).

4. Основной критерий успеха разработки — единство правил для конструкций и технологий.

2. РАНЖИРОВАНИЕ ФУНКЦИЙ

2.1. Основные определения и правила ранжирования функций.

Определение 1. Под потоком главного продукта (ПГП) будем понимать сквозной поток вещества или поля, в конечной стадии которого реализуется ГФ ТС и начальная стадия которого является исходной для вводимого в ТС извне поля или вещества.

Если ПГП оказывается неоднороден (полевой поток превращается в вещественный или наоборот), или имеют место существенные качественные изменения продукта (например, превращение одного вида энергии в другой), целесообразно разбить ПГП на однородные участки.

Определение 2. Элементом русла ПГП называется элемент системы — носитель функции, объект которой — элемент ПГП. Объекты функций могут быть как вещественными, так и полевыми.

Определение 3. Потоком главных связей по цели называется совокупность взаимодействий элементов, которые обеспечивают выполнение системой какого-то определенного действия, но в общем случае не находятся в русле какого-либо потока одного главного продукта.

Например, элементами русла потока связей по прицеливанию винтовки являются приклад, цевье, прицел, мушка, руки, глаз человека.

Примечание 1. Далее при использовании термина «ПГП» будем помнить, что под потоком может пониматься и поток связей по цели.

Примечание 2. Судя по всему, к понятию потока связей по цели следует прибегать только тогда, когда одним из узловых элементов системы является человек. В остальных случаях обычно удается выявить полноценный ПГП как информационный или энергетический.

Основные особенности новой системы ранжирования следующие.

1. В основу ранжирования положен анализ потоков, в частности, ПГП.

2. Введена классификация (ранжирование) функций (именно функций, а не операций) на 4 типа: основные (О), квазиосновные (КО), вспомогательные(В), квазивспомогательные (KB). При классификации используется как бы трехмерный вектор понятий, «измерениями» или «координатами» которого являются следующие факторы:

а) отношение носителя функции к руслу ПГП;

б) изменение или отсутствие изменения параметра объекта функции в результате ее выполнения;

в) причинно-следственные связи между функциями.

3. Правила цифровой индексации рангов имеют в своей основе предложенную классификацию и непосредственно учитывают причинно-следственные связи внутри потоков и взаимоотношения потоков между собой.

Система правил классификации функций представлена в табл. 1.
Таблица 1. Правила классификации функций по типам

Причину существования данной функции порождает:	Параметр объекта данной функции		Отношение объекта функции к ПГП
	изменяется	не изменяется
1) Общий принцип действия системы, задающий те функции, без которых ГФ данной ТС не может быть выполнена ни при каких условиях. Функции типа О не имеют «порождающих» их функций. Для функции КО «порождающей» является та функция О, выполнение которой обеспечивает данная КО-функция. Если таковой О-функции в пределах рассматриваемой ТС нет, то «порождающей» для нее принимается предшествующая в отношении причинных связей функция типа О.	О	КО	Объект функции - ПГП
2а) Вынужденно результат выполнения некоторой другой функции. Точнее: причина заключается в том, что выполнение некоторой другой функции влияет (может повлиять) на определенный аспект (параметр) состояния объекта данной функции, но при этом необходимо, путем выполнения данной функции, еще раз изменить (предохранить от изменения) тот же аспект состояния данной функции. При этом указанная «другая» функция называется «порождающей» для данной. Если таких «других» функций несколько, то «порождающей» считается функция низшего ранга.	В	KB	Независимо от отношения объекта функции к ПГП
26) Непосредственно необходимость обеспечения качественного выполнения некоторой другой функции, когда не подходит формулировка 2а. При этом «другая» функция считается «порождающей» для данной. Если таких функций несколько, то «порождающая» — та, которая обладает максимальным рангом.

Примечания к табл. 1.

Под аспектом состояния объекта может пониматься степень готовности объекта к взаимодействию.

Изменение параметра объекта функции — критерий отличия функций типа О от КО и В от КВ. Подпараметром (аспектом состояния) объекта понимается параметр (аспект) его состояния, непосредственно влияющий на необходимость или качество выполнения данной или последующих функций.

Если формально подходят оба правила, 2а и 26, приоритет отдается 2а.

Иногда, особенно в техпроцессах, полезно включить в функции рассматриваемой ТС функцию, относящуюся к прохождению главного продукта ТС за ее пределами, т.е. функцию надсистемы (НС).

В практике возможна альтернатива: формулировать ли функции элементов ТС как функции относительно потока связей по цели или относительно ПГП? Например, в строительных конструкциях это может быть комплекс функций по потоку связей удерживания взаимосвязанных элементов или функции по потоку сил реакции. Предпочтительны формулировки в терминах функций элементов русла ПГП, что согласуется с примечанием 2 к определению 3.

2.2. Правила индексации рангов.

2.2.1. В результате применения правил классификации (табл. 1) каждую функцию относят к определенному типу, который одновременно является ее частным ранговым обозначением: основной — О, квазиосновной — КО, вспомогательный — В, квазивспомогательный — КВ.

2.2.2. Полное обозначение ранга данной функции образуется путем приписывания ее частного ранга (с цифровым индексом) слева к полному обозначению ранга «порождающей» функции. Правила выбора «порождающей» функции также приведены в табл. 1 и неотъемлемы от правил ранжирования. 2.2.3. Частное ранговое обозначение, снабженное цифровым индексом, называется частным рангом, или индексом ранга функции. Индекс ранга данной функции — на условную единицу меньше индекса ранга «порождающей» ее функции. Цифровая индексация рангов функций производится по правилам пп.2.2.4 и 2.2.5.

Для функций типа О цифровые индексы расставляются последовательно в порядке возрастания по ходу ПГП.

Уменьшение индекса ранга на условную единицу означает:

а) переход от последнего слева частного рангового обозначения («порождающей» функции) к приписываемому

к нему частному обозначению другого типа (данной функции), получающему цифровой индекс 1,

б) при неизменности типа последнего слева частного обозначения — просто увеличение на единицу его цифрового индекса.

2.3. Раздельное ранжирование по потокам.

Если один и тот же элемент ТС присутствует в руслах разных потоков, то ранжирование его функций можно произвести произвольным образом, по любому из потоков, но лучше присвоить ему двойную индексацию, т.к. при переформулировании исходной задачи за ПГП может быть принят другой поток.

При выборе элементов для свертывания следует исходить не только из приоритетности элементов по рангам их функций, но и из приоритетности потоков, которая устанавливается аналогично правилам разд. 2.1.

2.4. Ранговая схема причинно-следственных связей.

Для любой ТС можно построить схему причинно-следственных связей между функциями ее элементов, на которой можно обозначить последовательности взаимодействий во времени. Если на элементах этой схемы указать еще и ранги функций, то получится наглядная ранговая схема причинно-следственных связей функций, облегчающая анализ.

3. СВЕРТЫВАНИЕ

3.1. Предварительные соображения.

Очевидно, что ПГП может быть не только вещественным, но и полевым. Соответственно, и объектами, и носителями функций могут быть полевые, энергетические, информационные объекты (см. разд. 2.1). Выдвинем еще одно непривычное утверждение. Поскольку элементами ТС могут быть операции, то такими же элементами могут фигурировать и взаимодействия как вещественных, так и полевых ее объектов (как объектов в конструкциях, так и объектов, участвующих в операциях).

Исходя из этих соображений, может быть поставлена и такая задача на свертывание: «элемента-объекта нет, а элемент-взаимодействие реализуется». Или «элемента нет, а его функцию выполняет взаимодействие». (Это предложение в несколько иной формулировке было предложено ранее С. С. Литвиным по результатам анализа решений некоторых практических задач.)

3.2. Обобщенная формулировка свертывания.

Данный (рассматриваемый) элемент ТС (объект, операция, взаимодействие) или данную функцию элемента системы можно исключить, если:

а) исключить «порождающий» для данного элемента или его функции элемент системы;

б) вынудить «порождающий» элемент (функцию) не создавать причину существования/появления данного элемента;

в) вынудить сам «порождающий»элемент выполнять требуемую от данного элемента функцию;

г) причину существования/появления данного элемента (функции) скомпенсировать (не убирая ее) или сделать не влияющей на данный и последующие по ходу соответствующего потока элементы системы;

д) функцию данного элемента возложить на остальные элементы системы или надсистемы:

в интервале времени функционирования данного элемента;

на предшествующем отрезке времени;

на последующем отрезке времени.

Приоритетность выбора правила убывает по направлению от а) к д).

При ориентации на конструкцию под термином «элемент системы» понимается элемент конструкции или взаимодействие с его участием; при ориентации на технологию под элементом может пониматься как операция, так и один из участвующих в ней объектов или взаимодействие с его участием.

3.3. Выбор элементов для свертывания.

Этот вопрос имеет два аспекта:

формальная расстановка функций в порядке возрастания их рангов;

практическое определение последовательности свертывания.

Первый аспект может играть большую роль в особо сложных случаях и, главное, при компьютерной реализации методики с элементами автоматизированного принятия решений.

3.4.1. Правила строгой иерархии функций.

3.4.1.1 Частные ранги функций убывают в порядке:

О - КО - В - КВ.

3.4.1.2 Самый низкий ранг -имеющий максимальную сумму цифровых индексов при частных обозначениях неосновных функций (В, KB, КО).

3.4.1.3 Увеличение рангов — по мере уменьшения указанной в п. 3.4.1.2 суммы. При этом из двух полных рангов с одинаковыми суммами индексов более низким считается тот, у которого последнее слева обозначение оказалось KB по сравнению с В и КО; В по сравнению с КО.

Если же при одинаковых суммах и последние слева обозначения оказались одинаковыми, более низкий ранг — у имеющего большую сумму индексов при обозначениях КВ. Если и эти суммы оказались одинаковы, то более низкий ранг — с большей суммой при В. Аналогично, если и суммы при В одинаковы, то более низкий ранг с большей суммой при КО; если и эти суммы равны -определяющими становятся цифровые индексы при О.

Далее увеличение ранга —по мере уменьшения цифрового индекса при крайнем слева частном обозначении КВ. Логика приоритетности аналогична п. 3.4.1.3.

Далее — аналогично относительно В, затем — КО, затем — О.

При переходах от одного типа последнего слева обозначения к другому может требоваться отработка по пп. 3.4.1.2 и 3.4.1.3.

Предлагаемый метод ранжирования может дать пугающую на первый взгляд совокупность рангов разных функций. Однако это разнообразие оказывается хорошо структурированным, что особенно наглядно видно на ранговой схеме причинно-следственных связей. Система правил внешне тяжеловесна, но она: по сути проста и легко алго-ритмизуема; позволяет получить однозначную расстановку функций в порядке возрастания рангов; может быть применена при анализе, в том числе автоматизированном, систем любой сложности; в практике легко применима вследствие малого, как правило, количества анализируемых элементов ТС; при сложных работах должна использоваться редко, так как хорошие результаты дают приемы из следующего раздела.

3.4.2. Упрощенные приемы выбора объектов свертывания.

3.4.2.1.Если в результате ранжирования главная функция элемента русла ПГП не получила ранг основной, то:

если ее частное ранговое обозначение — В или KB, то этот элемент безусловно подлежит свертыванию;

если она оказалась квазиосновной, то элемент подозрителен на свертывание.

Если полное ранговое обозначение одной функции оказалось в генезисе образования полных ранговых обозначений многих других функций, то следует поставить задачу на свертывание именно этой функции.

Свертыванию по мере убывания предпочтительности подлежат:

а) точки ветвления причинно-следственных цепочек;

б) точки начала цепочек вспомогательных функций;

в) структуры, типа изображенной на рис. 1.

3.4.2.4 Начинать свертывание следует с функций из класса неосновных, в полном ранговом обозначении которых нет частных обозначений КВ.

3.4.2.5 Если в цепочке последовательности взаимодействий элементов нарушается монотонность изменения рангов их функций, эта цепочка нарушает тенденции выполнения ЗРТС и потенциально сворачивается.

3.4.2.6 Если в схеме причинно-следственных связей ТС выявляется тупиковая ветвь, это признак того, что данная функция либо не нужна, либо ориентирована на над- или подсистему; ее можно вынести из ТС.

4. Пример использования методики ранжирования функций и свертывания элементов ТС.

Объект: зубная щетка.

ГФ этой ТС — удалять зубную грязь из ротовой полости (смывать водой вместе с пастой).

Главный продукт — зубная грязь.

ПГП — путь прохождения зубной грязи. Модель ПГП представлена на рис. 2.

Элементы русла ПГП: зубы, паста, щетка, вода.

Отметим, что, поставив задачу на анализ конструкции, мы начали анализ с технологии. Это является одним из важных следствий предлагаемого подхода.

Функциональная модель ТС представлена в табл. 2.

Первые кандидаты на свертывание — элементы ТС с низким максимальным рангом их функций. Это футляр ((КВ).В.О.), вода ((КВ).В.О.) и ручка ((KB).О.). Задачи на свертывание футляра и ручки методологически неинтересны — прежняя методика дает то же. Однако функция воды также получила низкий ранг. Предложение «свернуть» воду, полученное формальным образом, представляется не только нетривиальным, но и практически интересным — ведь есть категории людей, заинтересованные в этом. А следующий кандидат на свертывание — паста (В.О.)!

Это предложение еще интереснее методологически. Получилось, что элемент надсистемы, вода, втянутый в анализ путем формального ранжирования, получил низкий ранг, а постановка задачи на его свертывание ведет к неожиданным, по крайней мере для автора, предложениям.

Другой аспект изменения правил прежней методики (ср. с п. 3.2.3.6 в [2]): формулировка функции может включать возвратную форму глагола.

Отметим некоторые новые возможности, открываемые предлагаемой методикой:

При ее применении вопрос о том, в каком качестве лучше рассматривать конкретную систему — как конструкцию или технологию — не возникает. Следовательно, мы уходим от неопределенных ограничений.

При применении методики вкруг рассматриваемых объектов автоматически включаются те элементы надсистемы (вода), которые целенаправленно расширяют спектр вариантов постановки задач и, следовательно, возможных эффективных решений.

Рис. 2.

5. СВЕРХЭФФЕКТЫ ПРЕДЛАГАЕМОЙ МЕТОДИКИ

Кроме тех результатов, которые были запланированы при постановке работы, нами выявлены следующие СЭ:

5.1. В анализ системы автоматически втягиваются элементы надсистемы, которые могут стать закономерными объектами процедуры свертывания.

5.2. Предлагаемая методика позволяет проводить «крупноблочный» подход — ранжировать и свертывать целые блоки функций. Например, операцию «выбраковки» она позволяет рассматривать целиком, в то время как прежняя методика из-за принципиальной неясности типа этой операции (контрольная? исправительная? создающая кондиционный поток?) требует ее разбивки на более определенные подоперации.

5.3. Практика отработки предлагаемой методики позволяет утверждать, что она обеспечивает успешный подход к классам задач, с трудом поддающимся прежней методике. Например, уже есть некоторый опыт успешного анализа задач, относящихся к статическим конструкциям типа строительных и к информационно-измерительным системам.

5.4. При работе по методике нет нужды предварительно выбирать, в каком качестве рассматривать ТС — как конструкцию или как техпроцесс,— что существенно для некоторых классов задач.

5.5. Частный СЭ — упрощенные правила выбора объектов свертывания.

5.6. В формулировку свертывания введены понятия, стимулирующие практическое применение «многоэкранного мышления».

Таблица 2 Функциональная модель зубной щетки

Элемент ТС Функция	Ранг	№ правила по табл. 1	«Порождающая» функция
1. ЩЕТКА F1.1. Удерживать пасту F1.2. Наносить пасту на зубную грязь F1.3. Отдирать зубную грязь F1.4. Смешивать зубную грязь с пастой	(KB).В.О. (KB).В.О. о. в.о.	2б 2б 1 2а	F1.2 F3.1 F1.3
2. РУЧКА F2.1. Удерживать щетку F2.2. Передавать усилие (щетке от руки)	(КВ).О. (КВ).О.	2б 2б	F2.2 F1.3
3. ПАСТА F3.1. Сцепляться с зубной грязью F1.3 F3.2. Смываться водой (вместе с грязью) F1.4 F3.3. Смешиваться с зубной грязью	в.о. (КВ).В.О. в.о.	2б 2а 2а	F1.3
4. ФУТЛЯР F4.1. Отделять щетку от среды	(KB).В.О.	2б	F1.1
5. ВОДА F5.1. Смывать зубную грязь (с пастой)	(KB).В.О.	2а	F1.4

Примечания к табл. 2.

К выбору правила ранжирования F1.4. Подвижность (параметр) зубной грязи уже увеличилась в результате выполнения функции F1.3, но была еще недостаточна для хорошего ее удаления.

К выбору правила ранжирования F3.2. Так как при удалении зубной грязи не меняется ни один из ее параметров, важных для выполнения данной или последующих функций, F3.2 получает частный ранг- КВ.

К выбору правила ранжирования F4.1. Считаем, что грязной щеткой нельзя выполнять никаких действий, даже ее функции низшего ранга — F1.1. Тогда F4.1 необходима для выполнения F1.1.

По выбору правила ранжирования функция F3.3 эквивалентна F1.4, a F5.I эквивалентна F3.2.

6. ПРЕДПОЛАГАЕМЫЕ СВЕРХЭФФЕКТЫ

6.1. Цепочки неосновных, в том числе частного ранга КО, функций, даже если не удается их свернуть, показывают направление совершенствования системы в будущем. Это — прогностический СЭ.

6.2. Прослеживается возможность применения основных положений методики к разработке проблем ранжирования вредных функций, к анализу изобретательских ситуаций и к совершенствованию ТРИЗ-программных продуктов.

6.3. Намечен подход к решению обратной проблемы — развертывания ТС.

6.4. Подробное выявление недостатков и вредных функций элементов ТС до этапа непосредственного решения сформулированных задач не имеет принципиального значения. Отказ от этого при апробации методики не выявил возможности потери вариантов свертывания. Для уверенной декларации этого положения пока недостаточно практического материала. Но можно предположить, что это — суммарное проявление общих закономерностей развития техники, заключающееся в том, что ключевые недостатки ТС на 2-ом этапе развития [4] обычно порождаются элементами системы, получающими низкий ранг. Более того, при поиске ключевых недостатков можно воспользоваться обратным методом: тщательно исследовать именно элементы, оказавшиеся подозрительными на свертывание.

Итак, в результате модернизации прежней методики ранжирования и свертывания достигнуты следующие результаты.

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

7.1. Разработан единый подход к конструкциям и техпроцессам.

7.2. Разработана и доведена до инструментального вида методика, в ко-

торой система правил ранжирования и свертывания реализует во взаимоувязанном и непротиворечивом виде три идеи: учета определяющих причинно- следственных связей; анализа потоковых моделей; учета изменения объектов функций при их исполнении.

Обеспечена однозначность установления одного из четырех введенных типов функций с помощью четких определений и правил (разд. 2.1).Это позволяет проводить более эффективный анализ систем и не терять варианты свертывания.

Правила ранжирования вынуждают к более глубокому анализу системы вследствие непосредственного влияния причинно-следственных связей между функциями на их классификацию и ранги.

Ориентация на потоковый анализ методически обеспечивает уход от структурных схем, матриц взаимосвязей и т.п.

7.3. Синтезирована усовершенствованная система формулировок правил

свертывания, имеющая определенные преимущества.

По сравнению с прежними правилами для конструкций новые фактически расширены двумя положениями — правила б) и г) из разд. 3.2.,что повышает инструментальность и расширяет возможности метода.

По сравнению с прежней системой правил для технологий новая недифференцирована не только по типам операций, но и по типам функций. Так как система включает в себя все прежние правила, не может произойти потери путей решения. При этом новая система правил легче выводит на дополнительные варианты решений конкретных задач по крайней мере по двум причинам:

— ориентация прежней методики в каждом случае на конкретный тип операции может повлечь утерю эффективного условия свертывания из-за неточного (спорного) определения типа операции.

— формулировки новой системы с использованием термина «причина» принципиально и шире, и точнее прежних.

7.4. Подтверждением высокой перспективности выбранного подхода автор считает то, что результаты разработки вышли за рамки первоначально поставленных целей. Возможно, результаты разработок по намеченным направлениям превзойдут непосредственную пользу от настоящей работы.

Автор приносит благодарность С. С. Литвину, В. М. Герасимову, В. Ф. Канеру, К. А. Склобовскому за ценные замечания и критику при обсуждении работы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Герасимов В. М., Литвин С. С. Основные положения методики проведения ФСА. Журнал ТРИЗ, 3.2.92, с. 7-45.
2. Основные положения методики проведения ФСА. М., Информ-ФСА, 1991.
3. Альтшуплер Г. С, Найти идею... Новосибирск, Наука, 1986.
4. Злотин Б. Л., Зусман А. В. Законы развития и прогнозирование технических систем. Кишинев, Картя Молдовеняскэ, 1989.