1.2. Оперативная зона и оперативное время
Техническое противоречие всегда проявляется в определенное время и в определенном месте. Например, при выполнении рентгенографии мы понимаем, что рентгеновские лучи крайне вредны для здоровья. Но при проведении неразрушающего контроля (рентгена) их использование происходит только в ограниченное время, и в защищенной камере, где людей нет. Таким образом, разрешается противоречие – нужны вредные лучи для проведения анализа, и эти лучи должны быть безвредными для персонала.
Для того чтобы научиться разрешать противоречия попробуем разобраться, где и когда техническое противоречие возникает. Для этого введем понятия оперативной зоны (ОЗ) и оперативного времени (ОВ).
Пространство в системе, в котором возникают противоречивые требования, и граничная зона около него, называется оперативной зоной.
Часто современная техника излучает радиоволны высокой частоты, которые вредны для здоровья, но сами приборы нужны для использования. Почему же мы все-таки пользуемся ими? Да потому, что вредное излучение возникает только в ограниченной зоне в приборе, а пространство вокруг него будет вполне безопасным. Именно эта зона (зона действия лучей!) и будет в данном случае оперативной зоной.
Если мы говорим, что утюг плохо гладит, из-за того, что плохо нагревается, то при этом понимается, что плохо нагревается нижняя (рабочая) поверхность утюга. Она и является оперативной зоной. Все остальные части утюга (например, ручка) нас не волнуют.
Промежутки времени, во время которых к системе предъявляются требования, выполнение которых вызывает конфликтную ситуацию (то есть необходимость выполнения противоречивый требований) и называются оперативным временем.
Например, основные требования к толщине брони танка возникают во время боя, и совершенно никого не волнуют в то время, когда танк стоит на базе или находится на марше. Следовательно, оперативное время для танка – время боевых действий, атаки.
А теперь рассмотрим два примера по решению задач с использованием понятий «оперативная зона» и «оперативное время».
Пример 1
В 1980 году на Нижнетагильском металлургическом комбинате мы столкнулись с крайне сложной задачей. Необходимо было повысить качество проката для морских судов, снизить поперечную разнотолщинность листов (это было обязательным условием регистра Ллойда). На стане, построенном еще в 30-е годы, это сделать весьма сложно. Проблема состояла вот в чем. Лист прокатывают просто: слиток пропускают между двумя рабочими валками приблизительно так, как хозяйки отжимают мокрое белье, на старых стиральных машинах. Только валки не из резины, а из стали. Чтобы рабочие валки не сильно прогибались, устанавливают опорные валки. Это рабочая схема стана «кварто». Постепенно зазор между ними уменьшают, и, в конце концов, получается готовый лист, заданной толщины.
При такой технологии прокатчикам приходится решать две задачи:
во-первых, деформировать металл так, чтобы он получался с одинаковой толщиной в центре и на краях, то есть без поперечной разнотолщинности,
во-вторых, удерживать раскатываемый лист в валках строго по центру.
Вам может показаться, что это разные задачи. Но это не так. Дело в том, что усилия деформации настолько велики, что никакие посторонние дополнительные механизмы не способны удержать раскатываемый лист в валках, если из-за неравномерной деформации по ширине его начнет уводить в сторону. В результате произойдет авария.
Прокатчики нашли выход. Они сделали валки так, чтобы при нагрузке образовывался вогнутый профиль, и теперь раскатываемый лист сам центрует себя. Если он сдвинулся в какую-нибудь сторону, то горизонтальная составляющая усилия деформации загоняет его назад. И чем больше вогнутость, тем значительнее эффект самоцентрирования.
Вот тут и противоречие: чем больше вогнутость валков, тем больше поперечная разнотолщинность, то есть тем хуже качество проката, но зато более надежна устойчивость процесса. К тому времени, когда мы начинали работать, разнотолщинность между центром и краями достигала 1—1,2 мм при допуске всего 0,8 мм. Итак, налицо противоречие. Как быть?
Рис. 7. Стан «кварто». При нагрузке образуется поперечный профиль листа в виде «чечевицы».
Пример 2
В хирургии полостных органов – кровеносных сосудов, кишечника, пищевода, трахеи – часто применяется замена отдельных их участков трубчатыми протезами из синтетических полимеров, которые должны обеспечить изоляцию субстрата, находящегося внутри полости (пищи, воздуха, крови), от окружающих частей организма. Как и всякое инородное тело, трубчатые протезы постепенно снаружи и изнутри покрываются капсулой из соединительной ткани. При значительной длине протеза внутренняя часть этой капсулы недостаточно хорошо снабжается кровью, что вызывает ее дистрофию и медленное отмирание. Для того чтобы обеспечить связь между внутренней и наружной частями капсулы, лучше всего было бы применить пористые протезы, но в таком случае, прежде чем капсула будет образована, нарушится герметичность сосуда. Как быть?
Чтобы разрешить противоречие, необходимо провести анализ технической системы и противоречий, связанных с ней. Начнем с уточнения условий, в которых возникают и действуют противоречивые требования, то есть оперативного времени и оперативной зоны. При рассмотрении работы любой системы, нетрудно видеть, что она далеко не всегда работает в одинаковых условиях, и с одинаковыми параметрами. Поэтому, например, условно все время работы технической системы можно разделить на такие промежутки Т1, Т2 и т.д., в течение каждого из которых все характеристики системы одинаковы или однородны. Так же надо поступить и с пространством, разделив его на зоны S1, S2, и т. д. где требования одинаковы.
Рис. 8. Аорта.
Начнем с задачи 2. Противоречие состоит в том, что сосуд должен быть пористым, чтобы кровь быстро поступала в соединительную ткань, образующуюся внутри протеза (то есть через некоторое время), и не пористым, чтобы кровь не вытекала из сосуда прямо сейчас.
Химики и врачи нашли остроумный способ устранить противоречие между необходимостью протеза быть пористым и не пористым. Трубчатый протез изготавливается из двух компонентов. Один составляет пористый каркас, а другой – медленно рассасывающийся в организме полимер, заполняющий многочисленные поры каркаса. По мере того как полимер рассасывается, соединительная ткань постепенно заполняет освободившееся пространство. В конце концов, соединительная ткань соединяет внутреннюю и наружную поверхности капсулы.
Итак, поскольку противоречивые требования предъявляются в разное время, то и противоречие было разрешено во времени.
Пример-шутка (разделение противоречия во времени)
Мужик хвастается другу:
Представляешь, я вчера зашел в кабинет шефа и стукнул кулаком по столу!
– Ну и что?
– Главное – сделал это вовремя – завтра шеф возвращается из командировки.
Пример-шутка (разделение противоречия во времени)
– Доктор куда мы едем?
– В морг.
– Так я еще не умер!
– Так мы еще и не приехали.
Пример-шутка (разделение противоречия в пространстве)
В детском саду дети сидят в песочнице с сотовыми телефонами, а воспитательница спит.
– Как вы можете спать!? Дети разбегутся!
– Никуда не денутся. Вай-фай только в песочнице!
Рис. 9. Никуда не денутся. Вай-фай только в песочнице!
Воспитательница великолепно разрешила противоречие в пространстве – граница должны быть и ее не должно быть. Дети должны убегать, потому, что они дети и хотят играть, и дети не должны разбегаться, чтобы быть под контролем. Значит, они должны играть в ограниченном пространстве. А сделать это может с помощью Интернета, ограничив радиус действия сети. То есть появилась «невидимая, но очень эффективная граница».
Аналогично, если в системы противоречивые требования, сформулированные для всей системы, реально проявляются в той или иной ее части. Тогда противоречие может быть разрешено в пространстве.
Вернемся к задаче 1.
Какие зоны валка удерживают металл, создают осевые усилия, центрирующие раскат?
Ну, разумеется, те, где наклон образующей валка больше, то есть краевые зоны.
Какие зоны по ширине валка создают особенно большую разницу по толщине в сравнении с краями?
Разумеется, центр валка. Парадоксальная ситуация, но теперь вполне очевидно, что противоречия, как такового, нет. Профиль валка в центральной части, создающий все проблемы разнотолщинности, практически не влияет на центровку раската, в то время как краевые зоны, обеспечивающие устойчивость раската, не вызывают большой разнотолщинности.
Мы разработали и внедрили выпукло-вогнутую профилировку валков, при которой в центре делается утолщение на фоне общей вогнутости. Благодаря этому разнотолщинность снизилась до 0,8 мм, не снижая при этом устойчивости процесса прокатки.
Как и каждое сильное решение, такая профилировка позволила получить «дополнительные пирожки»: так шутливо называют тризовцы сверхэффект – неожиданное положительное свойство системы, которое появляется при решении задачи. Кроме повышения качества проката удалось повысить на 10% производительность стана. Уменьшился и расход металла (поскольку лист стал в центре тоньше).
Рис. 10. Выпукло-вогнутая профилировка валка для прокатки листов на стане 3500 НТМК.
Итак, при решении практических задач, работа начинается с определения противоречия, которое мешает удовлетворить работать, а также оперативной зоны и оперативного времени, в которых это противоречие возникает. И часто бывает, что как только вы определите это, задача становится простой и понятной настолько, что ее можно решить на уровне здравого смысла.
А теперь попробуем описать формальную процедуру выявления оперативной зоны и оперативного времени:
Шаг 1. Постарайтесь сформулировать противоречивые требования, которые возникают в системе и мешают решить проблему.
Шаг 2. Постройте графики действия конфликтующих требований во времени и пространстве, указав действие каждого из требований соответственно на осях. При этом возможны три типовые схемы действия этих требований как для времени, так и для пространства:
– зоны действия противоречивых требований не пересекаются
(Рис.11. схема 1а, 1б);
– противоречивые требования касаются в одной точке
(Рис.11. схема 2а, 2б);
– зоны действия противоречивых требований пересекаются
(Рис.11. схема 3а, 3б).
Шаг 3. Проведите анализ возможности разрешения противоречия стандартными для данной области техники средствами.
Уже на этом этапе иногда удается получить решение, разделив противоречивые требования во времени или в пространстве. Если же здравый смысл и общие технические знания не помогает, необходимо начинать использовать инструментарий ТРИЗ. И в первую очередь могут помочь приемы устранения технических противоречий.
Но все это мы разберем позднее.
Рис. 11. Виды противоречий
Пример 1
В авиации во время Первой мировой войны была острая проблема – чтобы эффективно поражать противника (хорошо прицеливаться), пулеметы должны были стрелять через винт. Но некоторые пули попадали в винт и отстреливали лопасти. После этого самолет терпел крушение. Оперативное время – время стрельбы совпадает с временем работы винта, оперативная зона – место плоскости вращения винта, где проходит пуля. Разделить противоречие в пространстве не удается (оперативная зона одна как для пули, так и для лопастей винта (то есть схема 3в), но противоречие можно разделить, если пуля в момент прохождения через плоскость вращения винта будет находиться в другом месте (схема 1а) по отношению к лопасти винта. Так появились синхронизаторы работы пулемета и вращения винта. Затвор пулемета связан с осью распредвалом двигателя самолета. Теперь пули проходят через плоскость винта в то время, когда лопасти находятся в другом месте.
Пример 2
Примером ситуации, когда противоречивые требования по времени касаются в точке (а точнее пересекаются на небольшом участке) является решение о пористом протезе аорты, с временным заполнение пор растворяемым материалом (схемы 2а, 3б).
Выводы
Технические системы развиваются по объективным законам. Их можно найти и использовать для осознанного развития техники.
В основе любой технической проблемы лежит техническое противоречие, то есть наличие противоречивых требований в оперативное время в оперативной зоне. По мере развития системы противоречие развивается и обостряется. Решение технической проблемы – это всегда разрешение технического противоречия.