Пример решения изобретательской задачи с применением ТРИЗ

Интеллект Клуб

Пример решения изобретательской задачи с применением ТРИЗ

Для некоторых "чистых" технологических процессов необходимо контролировать степень запыленности воздуха в производственном помещении. Для этого подсчитывают число пылинок осевших за некоторый промежуток времени на контрольную площадку (пусть это круг диаметром 100 мм, а максимально возможное число осевших на эту площадку пылинок – 100 шт.). Хотелось бы наблюдать пылинки прямо на месте, например, с помощью обычной 10-и кратной лупы. В принципе это возможно: при ярком освещении и контрольной поверхности черного цвета подлежащие учету пылинки хоть и плохо, но различимы. И все же такой контроль достаточно утомительное занятие, поскольку контролируемых мест может быть несколько десятков. Как быть?

Из условия задачи следует, что визуальный способ подсчета числа пылинок, осевших на контрольную площадку, мог бы устроить в случае существенного улучшения условий для такого наблюдения.

Для того чтобы улучшить условия визуального подсчета пылинок, надо максимально усилить контрастность изображения. Но что для этого нужно?

Во-первых, необходим мощный источник света. С этим проблем быть не должно.
Во-вторых, для достижения максимальной контрастности изображения потребуется так осветить пылинки, чтобы рассеиваемый ими свет был максимально направлен в сторону наблюдателя, а фоновая засветка полностью отсутствовала. Вот здесь и возникают проблемы.

Максимальный световой поток, формирующий изображение пылинок, можно получить, если наблюдать пылинки на просвет, но в этом случае и фоновая засветка будет максимальной. Если же наблюдать пылинки в отраженном свете, то фоновую засветку можно сильно уменьшить, например, используя в качестве контрольной площадки поверхность с черным матовым покрытием. Но отраженный световой поток от пылинок в этом случае будет существенно меньше, чем при наблюдении на просвет. При этом наращивать мощность осветителя имеет смысл только в том случае, если контрольная площадка по своим оптическим свойствам близка к абсолютно черному телу, т. е. практически не отражает свет. Обеспечить такие свойства площадки за счет светопоглощающих покрытий проблемно. Существует возможность создать "абсолютно черное тело" в виде отверстия в некоторое пространство (емкость специальной конструкции), откуда вошедшие лучи практически не возвращаются. Но отверстие в качестве контрольной площадки нам не подходит – оно не способно удерживать пылинки.

Все эти рассуждения были приведены, чтобы в дальнейшем, используя инструменты ТРИЗ, попытаться конкретизировать задачу и свести ее к предельно точному и конкретному условию, т. е. сформулировать задачу сначала в виде технического противоречия (ТП), а затем в виде физического противоречия (ФП).

Для краткости описания проведем решение задачи, останавливаясь только на ключевых понятиях ТРИЗ.

Начнем с формулирования техническое противоречие, т. е. обозначим такую ситуацию, при которой попытка улучшения известным способом одного требуемого параметра приводит к недопустимому ухудшению другого, также необходимого нам параметра. Учитывая приведенные выше рассуждения, можно привести два варианта ТП.

Вариант 1

ТП1: Для получения максимальной яркости изображения пылинки можно рассматривать в проходящем свете, но тогда изображение будет иметь недопустимо низкую для визуального наблюдения контрастность из-за большой фоновой засветки.

Вариант 2

ТП2: Для получения максимальной контрастности изображения пылинки можно рассматривать в отраженном свете на фоне "абсолютно черного тела", но удерживать пылинки на нем невозможно, т. к. физически таким телом является отверстие.

Для того, чтобы получить ориентир в направлении наиболее сильного решения в ТРИЗ введено понятие идеального конечного результата (ИКР) и обозначены требования, которым должна отвечать формулировка ИКР.

Для формулирования ИКР в первую очередь необходимо определить, какой из элементов рассматриваемой системы является предметом ИКР, т. е. какой элемент должен быть усовершенствован и доведен до идеала. Идеалом в данном случае считается одновременное выполнение двух несовместимых по ТП требований. При этом совмещение это должно осуществиться с помощью самого этого элемента без дополнительных энергетических и пр. затрат. Также при выборе такого элемента необходимо принять к рассмотрению в первую очередь элемент, являющийся "инструментом", т. е. тот который оказывает рабочее воздействие на другой элемент, условно называемый "изделием". Наконец, этот элемент должен быть непосредственно связан с двумя несовместимыми по ТП требованиями.

Для первого варианта (ТП1) "инструментом" является свет. Он оказывает воздействие на пылинки ("изделие") и непосредственно связан с противоречивыми требованиями, указанными в ТП1. Итак, ИКР для варианта ТП1 можно записать следующим образом.

ИКР1: Свет сам устраняет фоновую засветку, обеспечивая максимальную яркость изображения пылинок.

Для второго варианта (ТП2) "инструментом" будет контрольная площадка, существующая в виде отверстия (абсолютно черное тело). Площадка-отверстие должна оказывать воздействие на пылинки (удерживать их), но не справляется с этой задачей.

Отсюда следует формулировка второго варианта ИКР.

ИКР2: Отверстие (абсолютно черное тело) само удерживает пылинки, не создавая при этом фоновой засветки.

Следующим этапом решения задачи является формулирование физического противоречия (ФП), т.е. указание противоположных состояний выбранного в качестве "инструмента" элемента, через которые проявляется ТП.

Для первого варианта.

ФП1: Свет должен быть проходящим (т.е. просвечивать пылинки и иметь направление в сторону наблюдателя), чтобы обеспечивать максимальную яркость изображения пылинок, и свет не должен быть проходящим, чтобы не создавать фоновую засветку.

Для второго варианта.

ФП2: Контрольная площадка в виде отверстия (абсолютно черное тело) должна быть непроницаемой, чтобы удерживать пылинки, и должна быть проницаемой, чтобы не создавать фоновой засветки.

Итак, мы получили два варианта ФП, которые являются пределом уточнения условия задачи. Если удастся разрешить эти противоречия, то мы получим, как минимум, два варианта решения данной задачи. При этом сформулированные варианты ФП не равноценны с точки зрения сложности их разрешения.

На мой взгляд, второй вариант (ФП2) более прост для осмысления, и способы его разрешения найти проще. Так, например, если отверстие не способно фиксировать пылинки, то можно использовать сформулированный в ТРИЗ "Принцип копирования" (Прием N26), по которому необходимо: "Заменить объект или систему объектов их оптическими копиями (изображениями), использовать при этом изменение масштаба (увеличить или уменьшить копии)".

Т.е. можно фиксировать не пылинки, а их изображения на фоне изображения "черного тела".

Отсюда можно предложить такое устройство.

Идея решения 1

Для обеспечения необходимого размера контрольной площадки применим экран – пластину с отверстием диаметром 100 мм. Тогда опускающиеся пылинки будут проходить сквозь это отверстие, другие оседать на поверхности экрана.

Под отверстием расположим фотокамеру. Напротив объектива фотокамеры поместим "абсолютно черное тело". Пылинки, оседая, движутся в пространстве между объективом фотокамеры и "абсолютно черным телом". Теперь, если создать боковую подсветку этого пространства, то оседающие пылинки будут рассеивать, попадающий на них свет и фиксироваться на фотопленке в виде светлых линий (траекторий движения) на фоне темного пространства. За необходимый промежуток времени зафиксируется столько траекторий, сколько упало пылинок, что потом и подсчитывается. Естественно, попадание света в объектив от посторонних источников надо исключить конструкцией устройства.

Конечно, это решение не слишком просто в реализации и далеко от ИКР2. Наверняка можно предложить и другие, возможно более эффективные, способы разрешения ФП2 и соответствующие устройства, которые вы можете поискать самостоятельно.

Теперь вернемся к первому варианту физического противоречия (ФП1). Это ФП более сложно для осмысления – для его разрешения необходимы специальные физические знания, которыми мы можем и не располагать, или окажемся не в состоянии идентифицировать их как знания необходимые для решения данной задачи. Такая ситуация достаточно характерна при решении изобретательских задач высшего уровня сложности. В этом случае поиск идеи разрешающей противоречие может затянуться на неопределенно длительное время. Дело в том, что для задач высокого уровня сложности формулировка ФП, как правило, не содержит достаточно четких ориентиров для того, чтобы обратиться к необходимым знаниям для его разрешения. Поэтому возможностей человека может оказаться недостаточно для нахождения идей разрешения подобных ФП.

В таких ситуациях существенную поддержку в поиске идеи решения задачи может оказать компьютерная программа IdeaFinder. Программа способна идентифицировать и предлагать необходимые для решения задач знания по типу существующего в них ТП и ФП. В данном случае такими знаниями, на которые указывает программа, является физическое явление поляризации света.

Известно, что два поляризационных светофильтра (анализатор и поляризатор) с осями поляризации, повернутыми на 90 градусов относительно друг друга, не пропускают свет. Но если между ними расположить объект, нарушающий поляризацию света, то свет начинает проходить беспрепятственно. Эти знания и могут быть использованы для разрешения ФП1.

Идея решения 2

В качестве контрольной площадки используется поляризационный светофильтр (поляризатор). При подсчете числа пылинок площадка просвечивается снизу необходимым по мощности источником света. Свет, проходя через площадку-поляризатор, поляризуется. В той же части пространства, где на площадке расположены пылинки, прошедший через них свет рассеивается и теряет поляризацию. Теперь, если наблюдать площадку с пылинками через второй поляризационный светофильтр (анализатор), ось поляризации которого повернута относительно первого на 90 градусов, то будут видны ярко светящиеся пылинки на темном фоне. Таким образом разрешается ФП1, т.е. реализуется возможность наблюдать пылинки на просвет при максимальной яркости их изображения и одновременном отсутствии фоновой засветки – на темном фоне.

Это решение гораздо ближе к сформулированному ИКР1, и с точки зрения простоты реализации и эффективности является более сильным по сравнению с первым вариантом решения.

До встречи.

Александр Барышников
Обратная связь

Другие публикации