3.2.9 Функціональний аналіз

Функціональний аналіз - це різновид аналізу, що передбачає розгляд об’єкту як комплексу виконуваних ним функцій, а не як матеріально-речових структур. Наприклад, електрична лампа розжарювання розглядається як носій функції "випромінювати світло", а не лише як сукупність конструктивних елементів (колба, цоколь, нитка розжарення і ін.).

Функціональний аналіз виходить з передумови, що в аналізованому об’єкті корисні функції завжди супроводжуються шкідливими і нейтральними функціями. Наприклад, ніж м’ясорубки при роботі одночасно виконує декілька функцій: корисну функцію - "подрібнювати продукт", шкідливу функцію - "м’яти продукт", нейтральну функцію - "нагрівати продукт". Слід враховувати, що корисні функції одного об’єкту можуть бути шкідливими або нейтральними для іншого (і навпаки).

Функціональний аналіз дозволяє абстрагуватися від конкретного виконання об’єкту, і зосередити увагу на його функціях. Пошук альтернативних варіантів реалізації функцій здійснюється з метою зниження витрати і підвищення рівня виконання функції. Функціональний аналіз може з однаковим успіхом застосовуватися для вдосконалення як технічних, так і нетехнічних об’єктів і процесів.

3.2.10 Метод пошукового конструювання р.Коллєра

Метод розроблений професором Р. Коллєром і його учнями (ФРН) в 1975 р. і призначений для синтезу технічних систем (ТС) на нових принципах дії. У основі методу лежать три складових:

аналіз функцій технічних систем і їх елементів;

систематизований фонд фізичних ефектів;

програма пошуку нових фізичних принципів дії об’єкту і технічних рішень, що реалізовують їх.

Виходячи з того, що будь-яка ТС характеризується наявністю в ній організованих потоків енергії, речовини та інформації, всі ці системи Коллєр умовно ділить на три класи: машини, що здійснюють перетворення енергії; апарати, що здійснюють перетворення речовин, і прилади, що здійснюють перетворення (обробку) інформації. Насправді в сучасних ТС можуть бути присутніми всі перетворення потоків.

Розробка нових ТС передбачає три стадії.

1. Постановка завдання, що включає формулювання мети, умов і обмежень, і побудова функціональної структури ТС (що відповідає складанню технічного завдання).

Після опису мети розробки і створення ТС, формулюють загальну (головну) функцію системи, що розробляється, яка повинна указати "вхід" і "вихід" в системі, тобто описати перетворення вхідних фізичних величин у вихідні фізичні величини, завдяки чому відбувається реалізація поставленої мети. Загальну (головну) функцію рекомендується змальовувати графічно у вигляді чорного ящика, що має "вхід" і "вихід". Потім складається список основних вимог до ТС з врахуванням побажань споживачів, що включає найбільш важливі і принципові умови і обмеження виконання загальної (головною) функції.

Після цього приступають до побудови структури елементарних функцій, відповідних основним операціям. У будь-якій складній системі можна виділити функціональні вузли, відповідно до чого загальна функція може бути розділена на підфункції 1-го рівня. Аналогічно знайдені підфункції 1-го рівня можуть бути розбиті на підфункції 2-го рівня і так далі. Розбиття функцій на підфункції нижчого рівня здійснюється до тих пір, поки вони не відповідатимуть елементарним (неподільним) функціям, кожна з яких повинна відповідає якій-небудь основній операції, для чого отримані функції зіставляються із списком основних операцій.

Введення поняття "Основна операція" (під якою розуміється сам процес перетворення у відриві від параметрів на вході і виході, тобто від того, що перетвориться) є вищим рівнем абстрагування і узагальнення в порівнянні з поняттям "функцією". Коллєр стверджує, що все функціональне різноманіття ТС зводиться до 12 пар протилежних основних операцій.

При побудові структури елементарних функцій аналізуються декілька ТС з найбільш близькими загальними функціями, тому можливе отримання декількох варіантів структур елементарних функцій. Шляхом перестановки основних операцій, використовуючи відомі дії алгебри (складання, віднімання, множення, ділення і т. д.) і логічних ("і", "або", "ні"), отримують альтернативні структури, відсіваючи недопустимі структури, що суперечать основним законам природи. Далі відбирають ті структури, які істотно відрізняються одна від одної.

2. Вибір фізичних ефектів (ФЕ) для реалізації кожної функції і принципових технічних рішень (якісне конструювання).

Після розробки структури елементарних функцій здійснюється її реалізація за допомогою підбору одного або декількох ФЕ, в яких найменування фізичних величин збігаються з найменуваннями фізичних величин на вході і виході елементарної функції відповідно, і їх носіїв.

Пошук ФЕ виробляється за допомогою покажчика ФЕ для відповідної пари протилежних основних операцій. При виборі фізичних ефектів Коллєр рекомендує розглянути максимально можливе число варіантів фізичних ідей для реалізації кожної елементарної функції і кожної основної операції. Особливу увагу при цьому слід звертати на реалізацію двох або більше елементарних функцій одним ФЕ. Всі можливі реалізації структур елементарних функцій за допомогою різних ФЕ зводяться в структури ФЕ. Кожна така структура ще називається фізичним принципом дії ТС. Потім на підставі аналізу принципів дії здійснюється вибір найбільш перспективних фізичних принципів дії для подальшого опрацювання. Для цього рекомендується використовувати морфологічний аналіз.

Вибір носіїв ФЕ здійснюється за допомогою довідників по речовинах і матеріалах. Після вибору матеріалів проводиться конструкторське опрацювання.

3. Розробка конструкторської документації полягає в підготовці технічного і робочого проекту (кількісне конструювання).

Таким чином, запропонована Коллєром послідовність операцій дозволяє перейти від постановки завдання до її принципового вирішення.

До достоїнств методу можна віднести вдалу організацію фонду ФЕ, зручну для пошуку нового принципу дії ТС. Проте відсутність критеріїв для вибору найкращих варіантів серед безлічі можливих веде до необхідності розгляду дуже значного числа варіантів. Для більшості "основних операцій" немає покажчиків ФЕ, відсутні також покажчики хімічних, геометричних і біологічних ефектів. Слід зазначити і неоднозначність синтезу функціональної структури, багатоваріантність дій, залежних від суб’єктивних чинників.