Читать книгу Законы и закономерности развития систем. Книга 3 - Владимир Петров - Страница 9

13.6.1. Общий подход

Для построения новых систем используется системный подход, включающий системный анализ и системный синтез (п. 1.7.2, книга 1).

Системный анализ имеет два направления:

1. Выявление принципа действия, главной функции и потребности исследуемой системы;

2. Выявление недостатков (п. 1.7.3, книга 1).

Новую систему можно строить для существующих или альтернативных принципов действия, функций и потребностей.

Альтернативные принципы действия можно найти, используя различные виды эффектов и трансфер технологий. Альтернативные функции можно выявить, применяя закономерности изменения функций (глава 12, книга 2). Альтернативные потребности можно выявить, используя закономерности развития потребностей (глава 11, книга 2).

13.6.2. Последовательность построения новой системы

1. Анализ существующих систем

1.1. Бенчмаркинг;

1.2. Анализ выявления недостатков.

2. Определение потребности, которую необходимо удовлетворить.

3. Выбор главной функции, способной удовлетворить выбранную потребность.

4. Выбор принципа действия, способного наилучшим образом выполнить главную функцию.

5. Выбор вида рабочего органа, способного наилучшим образом выполнять принцип действия системы.

6. Выбор источника и преобразователя вещества, энергии и информации. Они должны наилучшим образом обеспечивать работоспособность системы.

7. Выбор системы управления.

8. Выбор связей. Существенным образом зависит от выбранных элементов.

Анализ существующих систем

Бенчмаркинг

Первоначально желательно проводить анализ наилучших систем на рынке (бенчмаркинг). Этот анализ проводится по определенным продуктам, параметрам этих продуктов и главным функциям продуктов. Он проводится с целью определения наивысших показателей в мире по данному продукту и по данной функции. Таким образом выявляется эталон, к которому следует стремиться или даже превысить его.

Анализ выявления недостатков

Выявление недостатков осуществляется по методике изложенной в п. 1.7.3, книга 1.

Определение потребности

1. Определение потребности, которую удовлетворяет исследуемая система, например, используя системный анализ (п. 1.7.2, книга 1).

2. Выявление альтернативных потребностей, используя закономерности развития потребностей (глава 11, книга 2).

3. Выбор наилучшей потребности. Критерии выбора определяет компания.

Выбор главной функции

1. Определение главной функции, исследуемой системы, например, используя системный анализ (п. 1.7.2, книга 1).

2. Выявление альтернативных главных функций, используя закономерности изменения функций (глава 12, книга 2).

3. Выбор наилучшей главной функции. Критерии выбора определяет компания.

Выбор принципа действия

1. Определение принципа действия, исследуемой системы, например, используя системный анализ (п. 1.7.2, книга 1).

2. Выявление альтернативных принципов действия, используя различные виды эффектов (физические, химические, биологические, геометрические и т. п.) и/или трансфер технологий.

3. Выбор наилучшего принципа действия. Критерии выбора определяет компания.

Выбор вида рабочего органа

Рабочий орган должен наилучшим образом выполнить выбранный принцип действия системы.

Выбор источника и преобразователя

Источник и преобразователь вещества, энергии и информации должны наилучшим образом обеспечить работоспособность рабочего органа.

Выбор системы управления

Система управления должна наилучшим образом создавать работоспособность всей системы.

Выбор связей

Связи между элементами должны наилучшим образом создавать работоспособность всей системы.

13.6.3. Построение судна

Описание альтернативных способов построения судна начнем с выявления главной функции.

Главная функция судна – перемещение по воде.

Ниже мы представим некоторые альтернативы исполнения рабочего органа, источника и преобразователя энергии, систем управления и корпусов.

Первоначально рассмотрим возможные виды рабочего органа. Рабочим органом любого средства передвижения, в том числе и судна, является движитель.

Движитель

На поверхности воды движитель для реакции опоры может использовать воздух, воду, их сочетание или одновременно две среды.

Первоначально рассмотрим альтернативы движителей, использующих воздух.

Пример 13.41. Движители, использующие воздух

К движителям, использующим энергию ветра, относятся: парус, крыло, вращающийся ротор и т. д. В судостроении их принято называть ветродвижителями (рис. 13.10).

Рис. 13.10. Ветродвижители9

а – мягкие паруса; б— полужесткие паруса; в – жесткие паруса-крылья; г – авторотирующий пропеллер; д – вращающийся ротор, работа этого ротора основана на эффекте Магнуса

Теперь рассмотрим альтернативы движителей, использующих воду.

Пример 13.42. Движители, использующие воду

Воду для «опоры» используют следующие движители: весло, гребное колесо и гребной винт, водомет, реактивная струя (рис. 13.11).

Рис. 13.11. Движители, использующие воду

Источник и преобразователь энергии Двигатель

В качестве двигателей в судах используют: дизель, турбину, атомный реактор и значительно реже электродвигатель. Раньше использовали весла, паровой двигатель.

Пример 13.43. Двигатели

Наиболее часто встречающиеся в судостроении двигатели показаны на рис. 13.1210.

Рис. 13.12. Судовые энергетические установки:

1 – низкооборотный дизель, непосредственно работающий на гребной винт; 2 – дизель-редукторная установка; 3 – паротурбинная установка; 4 – газовая турбина; 5 – атомная установка; 6 – газотурбинная установка с электрической передачей на винт.

Источники энергии

Существует много различных источников энергии. В судостроении в основном используются нефтепродукты. В меньшей степени используется атомная энергия. Снова начинают использовать энергию ветра (некоторые примеры были приведены выше). Незначительно используется энергия солнца. Совсем не используется вода и движение волн.

В автомобилестроении имеются тенденции уменьшить загрязнение окружающей среды. Уже выпускаются гибридные автомобили, использующие комбинированные источники топлива.

Многие компании сейчас разрабатывают автомобили, использующие экологически чистые виды энергии:

•      электричество;

•      водород;

•      воду;

•      воздух;

•      биологическое топливо.

Пример 13.44. Водяной двигатель

В. Д. Дудышев предложил проект водяного двигателя11. Двигатель работает за счет создания электрогидравлического давления воды, образованного электрогидравлическим ударом. Эта энергия преобразуется в механическую, например, за счет движения поршня аналогично ДВС или иным путем, например, роторными, по аналогии с роторным двигателем Ванкеля.

На рис. 13.13 представлен электроводяной поршневой двигатель. При электроразряде через воду происходит электрогидравлический удар. В рабочей камере двигателя образуется перепад давления воды, который перемещает поршень.

Для сглаживания динамической нагрузки в момент такого удара предложен специальный электромагнитный демпфер-накопитель. Этот управляемый по силе удар образуется в момент мощного электрического (искрового, дугового) разряда через жидкость (электрогидравлический эффект Юткина).

Рис. 13.13. Двухпоршневой электрогидравлический двигатель

Пример 13.45. Воздушный двигатель

Индийская компания Tata создала автомобиль под названием Air Car (рис. 13.14). Двигатель к этому автомобилю разработал французский конструктор Гай Негре. В качестве топлива используется сжатый воздух, который вырабатывается уникальным компрессором. «Топливо» находится в карбоновых баллонах объемом 340 л. Заправить автомобиль можно за две минуты на любой АЗС или с помощью прилагаемого компрессора за 4 ч. По расчетам производителей, заправка автомобиля на АЗС обойдется не дороже полутора долларов. Между двумя полными заправками Air Car способен пройти до 200 км при максимальной скорости 109 км/ч.

Принцип работы двигателя Негре – смешение горячего и холодного воздуха, сжатого до давления в 300 атмосфер. Два этих потока, попадая в одну емкость, резко расширяясь, перемещают поршень ДВС.

Преимущества нового типа топлива очевидны: никаких вредных выхлопов, экономия расходных материалов – масло можно будет менять только после 50 000 км.

Рис. 13.14. Air Car

Пример 13.46. Биологическое топливо

Компании Tokyo Metropolitan Government, Nippon Oil Corporation (NOC), Toyota Motor Corporation (TMC) и Hino Motors, Ltd. (Hino) разработали второе поколение биологического топлива12.

Описанные выше двигатели могут быть приспособлены и для судов.

Выше приведены примеры использования энергии ветра в ветродвижителях. Рассмотрим некоторые другие возможности.

Пример 13.47. Ветряк

Канадский изобретатель Фред Фергюсон (Fred Ferguson) и его компания Magenn Power разработали новый тип ветрогенератора (рис. 13.15), названный Magenn Power Air Rotor System (MARS), представляющий собой привязной вращающийся ротор, заполненный гелием. Ветряк поднимается на высоту 120—300 м.

Рис. 13.15. Ветрогенератор MARS

Ротор снабжен лопастями-чашками и вращается в горизонтальной плоскости. Привязь и кабель, по которому энергия доставляется вниз, подведены к оси аэростата, на которой находятся электрогенератор и стабилизаторы.

Возникающий эффект Магнуса повышает стабильность аппарата, так как при росте скорости ветра MARS стремится подняться выше вместо того, чтобы прижиматься к земле, как делал бы простой воздушный шарик на привязи. Благодаря чему ветряку не требуется какого-то специального управления.

По расчетам компании, MARS сможет нормально работать при скоростях ветра 1—28 м/с. Этот диапазон шире, чем у распространенных типов ветрогенераторов.

Можно предположить, что такие ветрогенераторы будут использоваться на судах.

Покажем некоторые примеры использования энергии солнца.

Пример 13.48. Парус – солнечная батарея

Построены яхты, у которых паруса-крылья покрыты солнечными батареями (рис. 13.16). Паруса могут не только вращаться вокруг вертикальной оси, но и наклоняться, отслеживая солнечные лучи.

Рис. 13.16. Парус – солнечная батарея

Имеются проекты использования морских течений, приливов, отливов и движения волн.

Пример 13.49. Волновые электростанции

Австралийская компания BioPower спроектировала оригинальные вариации приливных и волновых электростанций (рис. 13.17).

В волновой станции BioWAVE используются поплавки, погруженные в воду. Аппарат крепится ко дну на сравнительно небольшой глубине. Подводные потоки, раскачивающие поплавки, приводя в движение генератор. Во время шторма поплавки наклоняются вниз и укладываются параллельно дну.

Станция BioSTREAM утилизирует энергию приливных течений, используя лопасть в виде хвостового плавника акулы. Плавник прикреплен к 20-метрововму рычагу, сидящему на валу электрогенератора, вырабатывающего электроэнергию за счет движения. Такой плавник как флюгер улавливает движение воды в любом направлении.

Рис. 13.17. Приливные и волновые электростанции

Возможно, в будущем двигатели на судах будут использовать комбинации различных видов экологически чистых источников энергии.

Корпус

Корпуса могут различаться по их количеству, виду и материалу, из которого они сделаны.

Количество корпусов

Пример 13.50. Количество корпусов судна

Один корпус – рис. 13.18а, два корпуса – катамаран (рис. 13.18б), три корпуса – тримаран (рис. 13.18в), четыре и более корпусов – полимаран (рис. 13.18г). Судно с пятью корпусами называется пентамораном (рис. 13.18г).

Материал корпуса

Пример 13.51. Материал корпусов судна

Первые суда строили из папируса, тростника и дерева. В дальнейшем слали использовать различные металлы (стали, алюминий, титан), пластмассы, стекловолокно и т. д.

Вид корпуса

Рассмотрим некоторые виды судов:

– плот;

– водоизмещающий корпус;

– полупогруженный корпус;

– с подводными крыльями;

– на воздушной подушке;

– экраноплан;

– подводное судно.

Система управления

Системы управления могут быть: непосредственные, дистанционные; ручные, механические, полуавтоматические, автоматические.

Современные суда имеют компьютерную систему управления со спутниковой системой навигации (GPS).

Разработка концепции

Мы показали только некоторые из видов минимально необходимых частей системы.

С выявления и выбора частей системы начинается проектирование новой системы. В дальнейшем мы используем другие законы построения систем. Осуществляется минимальное согласование между частями системы, устанавливаем связи между ними, и подбирает дополнительные элементы. Как правило, эти операции проделываются несколько раз на разных уровнях.

Предложим проект будущего судна.

Суда будущего должны использовать только экологически чистые источники энергии и, прежде всего, все ресурсы моря (солнце, ветер, воду, волны, течения, статическое давление, соленость воды и т. д.).

Опишем проект, предложенный шведско-норвежской транспортной компанией Wallenius Wilhelmsen.

Пример 13.52. Концепция экологически чистого судна – E/S Orcelle

Шведско-норвежская транспортная компания Wallenius Wilhelmsen представила на всемирной выставке EXPO-2005 в Японии концепцию экологически чистого судна – E/S Orcelle (рис. 13.19).

Этот большой транспортный корабль типа ро-ро (с погрузкой через откидную аппарель) предназначен для перевозки 10 000 автомобилей через океан, используя только возобновляемые, экологически чистые источники энергии – солнечный свет, ветер и волны.

Судно содержит три паруса-крыла, на которых установлены солнечные батареи. Шарнирное крепление парусов позволяет им наклоняться и вращаться. Таким образом, в штиль, когда эти крылья не работают в качестве парусов, их можно сориентировать точно на Солнце, добиваясь максимальной отдачи фотоэлектрических пленок.

Это полупогруженное судно, выполненное из алюминия и пластмасс.

Между главным корпусом и боковыми (спонсонами) проходят 12 горизонтальных подвижных плавников-крыльев, утилизирующих энергию волн, когда судно идет под парусами или стоит на якоре.

Эти же плавники могут работать и движителями – в этом случае их силовой привод питается от корабельной энергетической сети. Судно движется подобно рыбе – за счет колебаний плавников.

Кроме того, имеются и традиционные движители – винты, вынесенные вниз на обтекаемых колонках. Электродвигатели находятся непосредственно у винтов – в обтекаемых герметичных капсулах.

В энергосистеме этого транспорта в качестве мощнейших накопителей энергии используются топливные элементы. Они питаются водородом, который вырабатывается из морской воды в то время, когда мощности солнечных батарей и волновой установки максимальны.

Ночью судно может использовать запасенную энергию для движения и питания систем вентиляции, освещения и т. д.

Площадь восьми грузовых палуб судна эквивалентна площади 14 футбольных полей (85 тыс. м²).

Его длина составляет 250 метров, ширина – 50 метров, осадка – 9 метров.

Площадь парусов Orcelle – 4,2 (3 x 1,400) тыс. м², из которых 2,4 (3 x 800) тыс. м² покрыты солнечными панелями. Их мощность достигает 2,5 мегаватта. Мощность топливных элементов составляет 10 мегаватт. Максимальная скорость судна составляет 20 узлов, а экономическая – 15 узлов.

Рис. 13.19. Проект экологически чистого судна E/S Orcelle

Данный проект может быть распространен и на другие типы судов, в том числе и пассажирские. Для большей остойчивости и меньшей подверженности качке необходимо использовать корпус с двумя подводными цистернами. Судно следует оснастить парусной системой, ветрогенераторами типа MARS (рис. 13.15) и т. п. Кроме того, солнечные батареи могут быть вынесены на надувных плоскостях выше туч и постоянно получать электрическую энергию в дневное время суток.

13.6.4. Домашний пылесос

Пример 13.53. Системный анализ

Выявим принцип действия, главную функцию и потребность, которую удовлетворяет пылесос.

Принцип действия у всех домашних пылесосов удаление пыли с объекта происходит посредством создания разряжения (всасывание потока пыли) с помощью турбины, вращающейся электрическим двигателем. Таким образом, принцип действия – вращение турбины электродвигателем.

Функция – двигатель вращает турбину, тем самым создается поток воздуха, который проходя сквозь емкость в корпусе пылесоса создает разряжение.

Потребность – избавиться от пыли дома.

В дальнейшем могут быть выбраны или разработаны альтернативные продукты (услуги), использующие тот же принцип действия, или альтернативные продукты (услуги), выполняющие туже функцию или альтернативные продукты (услуги), удовлетворяющие данную потребность (рис. 13.20).

Рис. 13.20. Выявление альтернативных принципов действия, главных функций и потребностей продукт

Примечание. Под эффектами понимается не только физические, химические и биологические эффекты, но и технические эффекты, т. е. трансфер технологий.

Для того же принципа действия можно разработать новый альтернативный продукт (услугу). Для той же функции можно подобрать или придумать новый принцип действия и для него создать новый альтернативный продукт (услугу). Для той же потребности можно подобрать новую функцию, удовлетворяющую данную потребность. И так, альтернативные продукты могут создаваться для тех же или новых потребностей функций и принципов действия.

При разработке нового продукта желательно получить как можно более широкий набор альтернатив.

Для этого желательно иметь как можно более широкий набор принципов действий, функций и потребностей.

Альтернативные принципы действия можно получить, используя физические, химические, биологические и геометрические эффекты или трансфер технологий.

Для получения альтернативных функций и потребностей можно использовать закономерности изменения функций и развития потребностей (главы11 и 12, книга 2).

Пример 13.54. Определение альтернативных потребностей

Для выявления альтернативных потребностей будем использовать закономерности развития потребностей (глава 11, книга 2).

Идеализация потребностей

1. Пыль должна убираться в момент ее появления, в месте, где она появилась, при условии, что она появляется более определенной величины.

2. Пыль должна убираться полностью – 100%.

3. Помимо убирания пыли пылесос может удовлетворять и другие потребности, например увлажнять и/или ионизировать воздух.

4. На убирание пыли практически не затрачивается время.

5. Нет необходимости в уборке были. Создать условия, чтобы она не появлялась вообще.

Динамизация – стабилизация потребностей

Потребность убирания были адаптивная. Она приспособляется к времени уборки пыли, к тому пространству, где это необходимо делать, к объекту с которого нужно убирать пыль (материалу, форме и т. д.), к условиям (требованиям), которые предъявляет конкретный человек и т. д. Потребности могут быть стабильные в зависимости от конкретных условий и требований людей.

Объединение – специализация потребностей

1. Потребность в уборке пыли только определенного качества, например, волос или частичек кожи.

2. Потребность в уборке пыли разной величины.

3. Потребность в уборке другого вида пыли.

4. Потребность в уборке не только пыли, а например, и бактерий, микробов, вирусов и т. д.

5. Потребность в накоплении пыли, например, для исследовательских целей или использования были.

6. Пылесос создается только для уборки специализированного вида пыли.

Согласования потребностей

Согласование потребности в уборке пыли может осуществляться по всем указанным ранее видам, всех параметров пыли, ее структуре, по условиям предъявляемым человеком, по пространству и времени, где и когда необходимо убирать пыль.

Пример 13.55. Определение альтернативных главных функций

Для выявления альтернативных главных функций, используя закономерности изменения функций (глава 12, книга 2).

Идеализация главных функций

1. Что такое нужный момент – момент появления пыли.

Что такое нужное место – место появления пыли.

Что такое необходимое условие —количество, появившееся пыли, начиная с которого, следует ее убирать.

2. Идеально, когда убирается 100% пыли.

3. На сегодняшний момент пылесос помимо уборки пыли используется, как пульверизатор и увлажнения воздуха.

Значит пылесос должен выполнять и другие новые функции, например, создавать запах в комнате, ионизировать воздух и т. д.

4. Сегодня уже существуют роботы-пылесосы. Мы не затрачиваем время и силы на уборку пыли, но они убирают пыль достаточно долго и только с пола.

5. Методика выявления недостатков пылесоса будет описана в п. 13.7, пока укажем один из недостатков: пылесос создает шум. Значит необходимо разработать пылесос, не создающий шум.

6. Значит необходимо создать условия, когда не нужно убирать пыль.

Динамизация функций

Пылесос должен приспосабливаться под условия конкретного места, конкретных хозяев и т. д.

Переход к моно- или поли-функциональности и функции более высокого порядка

Выявим функции более высокого порядка

1. Отделение пыли от объекта.

2. Функция еще более высокого порядка – это соблюдение чистоты.

Свертывание функций

Функция должна быть передана системе соблюдения чистоты.

Развертывание функций

Должны выполняться не только функция соблюдения чистоты, но и другие функция необходимые дома. Таким образом мы переходим к концепции «умного дома».

Согласования функций

Все функции должны быть согласованы. Мы снова переходим к концепции «умного дома».

Более высокие уровни – «умный город», «умная страна» и «умная планета».

Пример 13.56. Разработка принципа действия

В настоящий момент принцип действия пылесоса для функции создания разрежения – это вращение турбины с помощью электрического двигателя, которое создает поток воздуха и с его помощью воздух «вытеснялся» из емкости, создавая разряжение.

Опишем некоторые альтернативные принципы действия (способов создания разряжения).

1. Расширение камеры, например, движение поршня;

2. Разность температур;

3. Использование закона Бернулли и его следствий;

4. Эффект Вентури, например, расходомер Вентури, трубка Вентури и струйный насос;

5. Эжекция;

6. И т. д.

Используя новые способы получения разряжения, можно разработать новый пылесос.

Для функции фильтрации потока пыли используются разные принципы действия:

1. Задержка пыли с помощью материала:

1.1. Бумажный материал (бумажный фильтр);

1.2. Тканный материал.

2. Использование центробежных сил для отделения пыли;

3. Использование воды для отделения пыли;

4. Новый принцип действия – использование статического электричества.

Можно разработать новый пылесос использующий старый принцип действия для отделения пыли от объекта и новый принцип действия – статическое электричество для отделения пыли из потока пыли.

Пример 13.57. Построение древовидного графа

Строится древовидный граф потребностей, функций, принципов действий и продуктов. При этом используются

На каждом этапе выбирается наиболее подходящие потребность, главную функцию, наилучший принцип действия и наилучший продукт (услугу).

Рис. 13.21. Дерево разработки нового продукта

На рис. 13.21 показана часть упрощенного древовидного графа разработки нового продукта.

Главная потребность – соблюдение чистоты, которая должна осуществляться для самого человека, дома во всех помещениях, одежде, пастельном белье и т. д.

Для пылесоса главная функция – отделение пыли.

Некоторые из основных функций – отделение пыли от запыленного объекта, сбор пыли, отделение пыли от потока пыли, удаление или использование пыли.

Опишем некоторые из приведенных ранее принципов действия.

Для функции отделение пыли от запыленного объекта – разряжение, статическое электричество.

Для функции сбор пыли – мешок, контейнер, вода.

Для функции отделение пыли от потока пыли – ткань, центрифуга, вода, статическое электричество.

Для функции использование пыли – способы использования пыли.

Альтернативные виды продуктов не показаны на рис. 13.21.

Пример 13.58. Использование законов построения для разработки пылесоса

Закон полноты частей системы.

Рабочий орган в пылесосе – это разряженный воздух.

Источник энергии – это электричество. Для обычных пылесосов это розетка, в которую включается вилка. Для робота еще дополнительно имеется аккумулятор внутри робота. Некоторые типы пылесосов тоже имеют аккумулятор.

Преобразователь энергии:

1. электродвигатель преобразует электрическую энергию во вращательную (вращение вала).

2. вращение вала вращает турбину.

Преобразователи вещества:

1. Преобразование воздуха.

– Вращение турбины преобразует неподвижный воздух в поток воздуха (движущийся воздух);

– Прохождение потока сжатого воздуха через камеру делает поток разряженный. Сжатый воздух преобразуется в разряженный.

2. Преобразование пыли:

– Смешение пыли с водой – водный (аква) фильтр;

– Прессование (брикетирование) пыли. В некоторых пылесосах имеется такая функция.

Преобразователи информации – управление пылесосом:

– Ручное, нажатие на кнопки и переключатели;

– Автоматическое в роботе.

Законы проводимости потоков и минимальное согласование.

Все потоки должны проходить от источники до необходимого места.

Поток воздуха должен проходить от турбины (источник потока воздуха) в камеру, из камеры к выходному отверстию, в трубу и насадку и от нее к запыленному объекту. От запыленного объекта поток пыли должен проходить по насадке, трубе, выходному отверстию и доходит до фильтра. Чистый поток воздуха после фильтра должен выходить через другое выходное отверстие в комнату.

Все части пылесоса и его потоки должны быть минимально согласованы, чтобы сделать пылесос работоспособным.