Диверс. анализ

Инверсный метод выявления скрытых нежелательных
эффектов
«Обратный» мозговой штурм, «Диверсионный» анализ
Инверсный метод выявления скрытых нежелательных эффектов
(“диверсионный” подход) - это прием анализа технической системы,
направленный на поиск и выявление скрытых дефектов в конструкциях и
технологиях, а также прогнозирование возможных дефектов, которые могут
быть заложены в техническую систему при ее создании и эксплуатации.
Овладение этим методом придает гибкость мышлению, способствует
развитию умения рассматривать проблему с различных позиций, применять
различные приемы для поиска решений.
Настоящий раздел подготовлен на основе работ Б.Л.Злотина и
А.В.Зусман.
Сущность инверсного метода выявления скрытых нежелательных
эффектов заключается в том, что вместо вопроса: “Какие нежелательные
эффекты (например, дефекты, виды брака) возможны в технической системе
(конструкции или технологии)?”, задается вопрос: “Как испортить
техническую систему, как обеспечить получение “вредностей” и
“недостатков” (например, дефектов)?”.
При этом нежелательный эффект необходимо получить скрытый,
который не в состоянии вовремя обнаружить ни отдел технического
контроля, ни заказчик (покупатель). Т.е. речь идет о придумывании
“диверсии”, отсюда и второе название подхода.
Естественно, что после того как “диверсия” придумана, следует
проверить, не реализована ли она на практике, имеется ли вероятность ее
реализации при определенном стечении обстоятельств. И если такая
возможность не исключается, то необходимо решить следующую задачу:
“Как этого не допустить?”.
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА “ДИВЕРСИОННОГО” АНАЛИЗА
1. Формулирование “диверсионной” задачи
Описание исходной системы.
Обращение (инверсия) исходной постановки задачи. Как испортить
техническую систему (устройство, процесс)? Необходимо создать
максимальное количество нежелательных эффектов, связанных с
рассматриваемой технической системой
2. Поиск известных способов создания чрезвычайных ситуаций,
вредных и нежелательных явлений
Подробное изучение исходной системы, в том числе проведение ее
функционального анализа, выявление вредных эффектов, характерных для
1
систем данного типа, проверка возможностей “реализации” в данной системе
“типовых способов оказания вредных воздействий на человека, природные и
технические системы”, а также “типовых результатов вредных воздействий
на человека, другие системы” (шаги 1 …7).
Шаг 1.
Систематизировать информацию по системе. Выполнить рисунок
(схему) системы, назвать обозначенные на рисунке элементы, описать их
связь в статике и при функционировании. Перечислить системы, с которыми
данная система взаимодействует на разных этапах своего жизненного цикла
(в том числе окружающую среду и надсистемы, в которые данная система
входит). Основные технологические операции и переходы. Отличия
реального объекта от его описания в технической документации (чертежи,
описание технологического процесса). В чем причины этих отличий?
Описать все известные чрезвычайные ситуации и нежелательные эффекты,
связанные с системой.
Шаг 2.
Построить структурную схему системы. Провести функциональный
анализ системы (главная и дополнительные функции, функции основных
элементов системы). Какие этапы жизненного цикла, штатные и нештатные
ситуации нужно учесть при анализе по мнению заказчика? Провести анализ
цепочек нежелательных эффектов. По каждому звену цепочек
нежелательных эффектов и структурной схемы рассмотреть возможность
прямого снижения идеальности системы путем уменьшения полезных
функций (т.е. усилений “недостатков”) и увеличения “вредностей” и
факторов расплаты, в том числе введения новых “вредностей” и факторов
расплаты.
Шаг 3.
Выявить и описать основные количественные и качественные
параметры нормально функционирующей системы. Как эти параметры
измеряются или определяются? Выявить с помощью оператора числовой оси
чрезвычайные ситуации и нежелательные эффекты, которые могут
возникнуть при изменениях этих параметров, нарушении нормального
функционирования системы. Какие параметры доведены до максимально
возможного (верхнего) предела?
Шаг 4.
Описать основные принципы работы объекта. Подробно описать
процесс работы объекта: что и в какой последовательности делает каждый
элемент? Как происходит взаимодействие объекта с элементами надсистемы?
Почему каждый элемент устроен и работает именно так? Научное и
эмпирическое обоснование принципа действия.
Шаги 5,6 и 7
Рассмотреть известные заказчику “вредности” и “недостатки”,
характерные для систем данного или близкого к данной вида, определить
возможности их реализации. Какие именно операции и переходы
сдерживают и ограничивают выпуск продукции, снижают ее качество?
2
Рассмотреть возможные виды вредных воздействий (Приложение 1) и
условия их реализации.
Рассмотреть типовые результаты вредных воздействий (Приложение 2)
и условия их реализации.
3. Паспортизация и использование ресурсов
Изучение типовых “опасных зон” (“болевых точек”, “уязвимых мест”)
данной системы, а также различных ресурсов, способных вызвать вредные
нежелательные эффекты.
1. Провести анализ типовых опасных зон системы (Приложение 3).
2. Рассмотреть ресурсы нежелательных эффектов (Приложение 4).
4. Поиск вредных эффектов по информационным фондам
Использование указателей физических, химических, геометрических и
других эффектов, а также специальных списков типовых ошибок в развитии
технических систем и типовых причин появления вредных эффектов.
Провести анализ ошибок в развитии технической системы
(Приложение 5).
Провести анализ типовых причин появления нежелательных эффектов
(Приложение 6).
4. Поиск вредных эффектов по информационным фондам
• Использование указателей физических, химических, геометрических и
других эффектов, а также специальных списков типовых ошибок в
развитии технических систем и типовых причин появления вредных
эффектов.
• Провести анализ ошибок в развитии технической системы
(Приложение 5).
• Провести анализ типовых причин появления нежелательных эффектов
(Приложение 6).
5. Поиск вредных эффектов с помощью инструментов ТРИЗ
Поиск вредных эффектов с помощью методики прогноза по двум
направлениям: а) “назад”, в направлении ухудшения выполнения полезных
функций, б) “вперед”, но в направлении повышения эффективности
выполнения вредных, нежелательных функций, факторов расплаты.
Использование для решения “ухудшательских” задач инструментария ТРИЗ.
6. Поиск новых решений
Сформулировать изобретательские задачи по получению
нежелательных эффектов в технической системе. Использовать для решения
этих задач различные инструменты, в том числе, ТРИЗ.
7. Поиск возможностей усиления нежелательных эффектов
Рассмотреть возможные способы усиления нежелательных эффектов
(Приложение 7), определить условия их проявления в технической системе.
3
Используя эвристические приемы и различные инструменты ТРИЗ
(ЗРТС, стандарты на форсирование веполей, АРИЗ), найти способы усиления
вредных эффектов в технической системе. Для этого можно рассмотреть
инверсию эвристических приемов. Например, эвристический прием: для
защиты технической системы ввести легко повреждаемый элемент. Для
усиления вредного эффекта рассмотреть: где в технической системе должен
быть легко повреждаемый элемент, чтобы его отказ или плохое
функционирование привело к отказу работоспособности или разрушению
всей технической системы.
8. "Маскировка" вредных явлений
Поскольку в прямой задаче речь идет о поиске труднообнаруживаемых
дефектов, то в обращенной задаче возникает необходимость их
“маскировки”, обеспечивающей труднообнаруживаемость.
Рассмотреть типовые способы "маскировки" (скрывания)
нежелательных эффектов (Приложение 8) и определить условия их
реализации в технической системе.
Выявить "замаскированные" нежелательные эффекты, используя
методические рекомендации по решению исследовательских задач (см.
п.3.2).
9. Анализ выявленных вредных эффектов
Выявить, какие из обнаруженных нежелательных эффектов наиболее
опасны, оценить вероятность их появления, степень опасности, исследовать
причинно-следственные связи факторов, приводящих к появлению
нежелательных эффектов.
10. Устранение вредных эффектов
Рассмотреть возможность устранения ключевых нежелательных
эффектов с использованием типовых средств предотвращения (Приложение
9), сформулировать и решить, используя при необходимости инструменты
ТРИЗ, задачи по предотвращению нежелательных эффектов либо по
устранению или компенсации их последствий.
Выявить причины появления нежелательных эффектов, рассмотреть
мероприятия, необходимые для устранения этих причин.
11. Анализ хода работы
1. Проанализировать по записям проведенную работу. В случае
обнаружения отклонений или ошибок, исправить их и провести
дополнительный анализ.
2. Проанализировать характер отклонений хода работы от приведенных
рекомендаций. В случае плодотворных отклонений сформулировать
предложения по совершенствованию рекомендаций. Разработать программу
по их проверке.
4
Перечень 1
Виды вредных воздействий
(непосредственно или опосредствовано через внешнюю среду
или другие технические системы)
1. Воздействия веществ: механическое (трение, удары, инерционные
силы, растворение, диффузия), химическое (разложение, окисление, синтез,
нарушение химического равновесия), биологическое (вирусы, бактерии,
паразиты, канцерогенное, тератогенное, мутагенное и аллергическое
действие на живые организмы).
2. Воздействия полей: механических (гравитация, перепады давления,
вибрации и т.д.), тепловых (нагрев, охлаждение, градиенты), электрических,
электромагнитных (разного рода излучения, СВЧ, рентгеновские, гаммаизлучения).
3. Неумелые действия человека, обусловленные низкой квалификацией,
невнимательностью, неудобством выполнения работ с технической системой.
Умышленные или случайные повреждения.
4. Информационное воздействие на человека: недостаток или избыток
информации, ложность информации.
5. Взаимодействие разных технических систем: аварии,
целенаправленное разрушение, системные эффекты при взаимодействиях,
действие помех и отходов от одних систем на другие.
Перечень 2
Результаты вредных воздействий
1. На технические системы: отказы, ухудшение функциональных
показателей, ухудшение показателей качества, появление не
предусмотренных свойств.
2. На природные системы: засорение вредными веществами, обеднение
необходимыми, повышение концентрации веществ.
3. На человека. Нарушения: физические (травмы, профзаболевания, ...),
психические (депрессия, деформация системы ценностей, ...), эмоциональные
(стрессы, дискомфорт, ...), социальные (разрушение связей дружеских,
профессиональных, ...), интеллектуальные (нарушение логического
мышления, психологическая инерция, снижение творческих способностей,
...).
Перечень 3
Типовые опасные зоны
1. Концентрация потоков веществ, энергий, информации.
2. Элементы ТС, выполняющие большое количество функций.
5
3. Элементы стыковки разных систем (конструкций).
4. Неразрешенные противоречия, нарушение законов развития ТС.
5. Зоны, в которых наблюдали вредные явления.
Перечень 4
Ресурсы нежелательных эффектов
1. Результаты взаимодействия веществ, полей и потоков энергий.
2. Пространство незанятое или не полностью занятое элементами ТС.
3. Дефекты конструкции, технологии и несоблюдение требований
условий применения.
4. Временные: подготовка к функционированию, переходные
процессы, функционирование, последствия.
5. Системные: взаимодействие элементов ТС (эмерджентность),
несоответствие законам развития ТС.
6. Функциональные: способность выполнять непредусмотренные
функции, нарушение законов функционирования.
7. Ресурсы изменения: изменения в ТС и окружающей среде во
времени и при функционировании, накопление ресурсов (дефектов).
Перечень 5
Ошибки развития технических систем
1. Преждевременное использование новых элементов и решений, не
согласованное с развитием других систем. Нарушение закона повышения
согласования.
2. Использование неперспективных элементов, не рассчитанных на
эффективную совместную работу (не обеспечивающих полезные или
создающих вредные системные эффекты).
3. Использование в ТС подсистем, не обеспеченных необходимыми
сопутствующими, дополняющими, контролирующими и корректирующими
подсистемами.
4. Неверный выбор направления совершенствования ТС (нарушение
закона развития ТС), сохранение “атавизмов”.
Перечень 6
Причины появления нежелательных эффектов
1. Ошибки в принятии решений, связанные с недостатком или
ложностью информации, с недостатком знаний о механизмах различных
взаимодействий, о переходе количественных изменений в качественные,
непонимание системных свойств (эмерджентность), неумение разрешить
технические противоречия, несогласование улучшения элементов ТС,...
6
2. Психофизиологические особенности человека: недооценка
опасности, снижение внимания, скорости и точности реакции, отсутствие
физической и психологической подготовки, недооценка требований техники
безопасности, неумение предвидеть последствия, пренебрежение
требованиями эксплуатации...
3. Особенности технических систем: общая низкая надежность, низкая
надежность некоторых элементов, постепенное накопление дефектов
(снижение надежности), отказ от предохранительных устройств, отсутствие
защиты от неправильных действий (защиты от “дурака”) ...
Перечень 7
Способы усиления нежелательных эффектов
1. Задержки в устранении неполадок и аварий, вызванные попыткой
скрыть от начальства, надеждой, что “все обойдется”, попыткой
ликвидировать своими силами.
2. Неверные решения персонала при потере контроля над ситуацией.
3. Лавина отказов - последовательно действующая цепочка вредных
воздействий.
4. Несколько вредных эффектов, усиливающих друг друга.
Перечень 8
Средства “маскировки” нежелательных явлений
1. Появление вредных эффектов со временем, в экстремальных
условиях, при редко встречающихся сочетаниях условий.
2. Превращение полезных эффектов во вредные при переходе
количества в качество, за счет системных взаимодействий, при
возникновении положительной (отрицательной) обратной связи и т.д.
3. Накопление энергии, мелких дефектов, отклонений от нормы.
Перечень 9
Средства предотвращения нежелательных явлений
1. Соблюдение законов развития ТС.
2. Исключение элементов с пониженной надежностью.
3. Анализ опасных зон.
4. Устранение возможности накопления нежелательных явлений,
оптимизация режимов работы.
5. Создание защитных систем для борьбы с вредными явлениями в
автоматическом режиме.
6. Создание систем с “врожденной” безопасностью и др.
7
7. Обеспечение контролепригодности ТС и диагностики ее
функциональных параметров.
Примеры студентов, полученные на семинарах МГТУ им. Н.Э.
Баумана.
Пример №1. Раубель А. гр. КИУ4-111
1. Исходная задача
Обеспечить требуемые тепловой режим работы микросхемы с помощью
радиатора.
Как испортить систему микросхема – радиатор, чтобы дефект прошел
контроль и проявился только в эксплуатации.
Окр. среда
Радиатор
Крепление
Термослой
Микросхема
Рис. Схема задачи обеспечения теплового режима микросхемы
Параметры нормально функционирующей системы
• Температура поверхности микросхемы – основной главный параметр
среды.
• Тепловое сопротивление между корпусом микросхемы и подошвой
радиатора должно быть минимальным.
Принцип работы
• Тепло от микросхемы посредством кондуктивного теплообмена
передается радиатору.
• Тепло с радиатора уходит посредством излучения и процессом
естественного конвекционного охлаждения.
• Между корпусом микросхемы и радиатором существует термослой для
улучшения теплопроводности места контакта.
Нежелательные функции
• Тепло с радиатора не передается в окружающую среду.
8
• Тепло с микросхемы не передается радиатору.
•
•
•
•
•
Аварийные ситуации
Выходные параметры микросхемы с её разогревом ухудшаются либо
замедляется скорость её работы ( В случае микропроцессора)
Нарушается отвод тепла и микросхема выходит из строя
Функции элементов системы
Радиатор служит для отбора и рассеяния тепла от микросхемы
Термослой служит для улучшения теплопроводности контакта
микросхемы и радиатора
Крепление обеспечивает должное прижимное усилие радиатора к
микросхеме
Физические эффекты
• Отбор тепла у микросхемы происходит посредством кондуктивного
теплообмена
• Рассеивание тепла от радиатора происходит по средством конвекции и
излучения
Виды брака
• Некачественный контакт радиатора и микросхемы.
• Некачественный термослой между радиатором и микросхемой.
• Некачественный отвод тепла с радиатора.
Причины/результаты вредных воздействий
• Неправильно рассчитанный радиатор не справляется с отводом тепла.
• Некачественное крепление радиатора с вибрациями расшатывается и
нарушает контакт микросхемы и радиатора.
• Некачественный термослой плохо передает тепло.
Типовые опасные зоны
• Контакт радиатора и микросхемы. От его качества зависит теплоотвод.
• Радиатор. Неправильно рассчитанный радиатор приведет к перегреву.
Возможные диверсии.
• Некачественная обработка подошвы радиатора ухудшает
кондуктивный теплообмен.
• Некачественный прижим радиатора приводит ухудшению химического
состава термослоя, что ухудшает кондуктивный теплообмен. На этапе
испытаний брак не обнаружится. Для его выявление необходимо,
чтобы устройство проработало достаточно долго.
• Неправильно рассчитанный и сконструированный радиатор ухудшит
отвод тепла излучением и конвекцией.
9
Пример 2. Митрофанов С. Гр. КИУ4-111. Исследование процесса
фотолитографии
Определение прямой задачи
Необходимо произвести нанесение рисунка на печатную плату
методом фотолитографии
Формулировка обратной задачи
Необходимо получить рисунок на печатной плате с дефектами, не
проявляющимися при приёмке и тестировании при производстве
Описание системы
Очистка поверхности
заготовки (диэлектрика)
Нанесение и сушка
фоторезиста
Наложение фотошаблона
Экспонирование фоторезиста
Проявление фоторезиста
Травление меди до основы в
пробельных местах
Промывка, сушка платы
Рис. Общая схема получения рисунка печатных плат
Возможные нежелательные явления
Рассмотрим нежелательные явление возникающие в процессе
нанесения рисунка
1. Избыточная ширина проводника, вплоть до появления перемычек .
2. Ухудшение структуры проводников в результате стравливания
«лишних » участков.
10
Причины появления нежелательных явлений
1. Неполное растворение фоторезиста при проявлении из-за
недостаточного времени проявления.
2. Оптические эффекты на этапе экспонирования из-за неплотного
прилегания фотошаблона к фоторезисту.
3. Пористость структуры фоторезиста на этапе травления меди из-за его
некачественного нанесения.
Опасные зоны
1. Совмещение фотошаблона.
2. Время выдержки в проявителе.
3. Контакт травителя с медью.
Ресурсы вредных явлений и их форсирование
Ресурс
Время выдержки в проявителе
Зазор между фотошаблоном и платой
Размер пор в фоторезисте
Способ усиления воздействия
Уменьшение времени выдержки
Увеличение зазора
Увеличение размеров пор в
результате увеличения
зернистости фоторезиста.
Анализ
Наиболее опасным явлением можно считать стравливание «лишних »
участков из-за пористости фоторезиста, так как результат его нельзя
каким-либо способом исправить
Пример 3. Искендеров С. гр. КИУ4-111
Исследование проблемы построения и поддержки
бесперебойной работы ЛВС
1. Формулирование “диверсионной” задачи
• Исходная задача: построить локальную сеть и обеспечить её
бесперебойную работу.
• Обращение (инверсия) исходной постановки задачи. Создать такую
сеть, использование которой было бы доставляло массу неудобств для
её пользователей (низкая скорость, постоянные отказы, сбои и т.п.)
2. Поиск известных способов создания чрезвычайных ситуаций,
вредных и
нежелательных явлений
11
ШАГ-1
ВНЕШНИЕ ФАКТОРЫ
Человеческий фактор
Электромагнитные
помехи
ЛВС
Биологические
факторы
Повышенная влажность
Рис. 1. Основные внешние дестабилизирующие факторы ЛВС
Шаг. 2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА
SERVER-1
PC-4
PC-5
PC-3
SERVER-1
SW-1
SERVER-1
PC-2
PC-1
PC-14
SW-0
PC-15
PC-9
SW-3
PC-13
PC-8
SW-2
PC-12
PC-7
PC-6
PC-11
PC-10
Рис. 2. Схема РЛС
Факторы, мешающие нормальной работе ЛВС:
1. Неоптимальная организация структуры ЛВС, без учета распределения
сетевой нагрузки на каналы и трафика между сегментами сети.
12
2. Использование неэкранированных кабелей при прокладке по участкам
поверженным сильным электромагнитным помехам.
3. Прокладка кабеля в местах, где его могут повредить грызуны, где он
будет подвержен воздействию высоких температур, влаги, а также в
местах, где вероятное неумышленное физическое повреждение.
4. Использование ненадежных контактов и разъемов, не способных
обеспечить постоянно хороший электрический контакт.
5. Использование низкокачественного кабеля, сопротивление которого не
равномерно, или имеются участки, где электрический контакт не
надежен.
6. Использование слишком длинных участков кабеля, задержка и
затухание сигнала на который граничит с критическим и может
переходить через критический порог при изменении внешних условий.
7. Применение системы автономного питания элементов сети и защиты
от скачков напряжения в сети питания.
Шаг 3
Параметры нормально функционирующей ЛВС:
1. Высокая пропускная способность каналов, достаточная для того, чтобы
не возникали задержки в передачи данных при их перегрузки.
2. Независимость от внешних электромагнитных помех, статического
электричества и подобных факторов.
3. Низкая вероятность повреждения кабеля.
4. Надежность всех контактных элементов
5.
Независимость от внешней электрической сети. (возможность
автономной работы, использование собственного источника питания, защита
от перепадов и скачков напряжения во внешней сети)
Шаг 4.
• Основной принцип работы ЛВС – передача данных между
компьютерами данной сети, по средствам электрических импульсов,
передаваемых по проводящим кабелям. Наиболее часто для
компенсации помех используется либо кабель типа витаю пара или
коаксиальный.
• Первоочередной задачей при построении ЛВС является выбор
структурной схемы с учетом требований к данной сети и условий её
эксплуатации.
Шаги 5,6,7. Возможные виды вредных воздействий
Анализ выявленных вредных эффектов
Из выявленных вредных эффектов наиболее
опасным является неправильное посторонние топологии самой сети, т.к. в
данном случае остальные вредные эффекты не только сохраняются, но и их
количество заметно увеличивается, за счет того, что сильно возрастает
13
нагрузка на сеть, суммарная длинна кабаля, количество разъемов, наводок и
прочих вредных эффектов.
Средства предотвращения нежелательных явлений
1. Перед прокладкой ЛВС необходимо четко планировать её структуру, с
учетом место развертывания данной сети и задач, которые она будет
решать.
2. Использовать для прокладки кабелей только специально
предназначенные для этого короба трубки и т.п.
3. Уделить особое внимание анализу пропускной способности каналов и
предусмотреть некоторый резерв.
4. Обеспечить систему автономного питания системы
5. Обеспечить быструю возможность перехода на резервные каналы.
6. Использование высококачественные кабели разъемы и соединители
для обеспечения хорошего электрического контакта.
14