Морфологический анализ

Морфологический анализ разработан в 1942 г. швейцарским астрономом Ф.Цвикки, который в этот период был привлечен к участию в ранних стадиях ракетных исследований и разработок в американской фирме "Аэроджет инжиниринг корпорейшн". С помощью метода морфологического ящика, наиболее разработанного из всех методов морфологического анализа, созданных Ф.Цвикки, ученому удалось за короткое время получить значительное число оригинальных технических решений в ракетостроении, чем он очень удивил ведущих специалистов и руководителей фирмы. Многие из предложенных решений были впоследствии реализованы.

Сам морфологический анализ определил эру системных исследований и стал первым ярким примером системного подхода в области изобретательства. По мнению Ф.Цвикки, предметом метода морфологического ящика является проблема вообще (техническая, научная, социальная и другая). Он допускает, что точная формулировка проблемы автоматически раскрывает наиболее важные параметры, от которых зависит ее решение, и каждый такой параметр может быть разбит на ряд значений. Причем любое сочетание значений параметра считается принципиально возможным.

Сущность анализа заключается в следующем. В совершенствуемой технической системе выделяют несколько характерных для нее структурных или функциональных морфологических признаков. Каждый признак может характеризовать, например, какой-то конструктивный узел системы, какую-то ее функцию, какой-то режим работы системы, то есть параметры или характеристики системы, от которых зависит решение проблемы и достижение основной цели.

По каждому выделенному морфологическому признаку составляют список его различных

конкретных вариантов, альтернатив, технического выражения. Признаки с их альтернативами можно располагать в форме таблицы, называемой морфологическим ящиком (картой, матрицей), что позволяет лучше представить себе поисковое поле. Перебирая всевозможные сочетания альтернативных вариантов выделенных признаков, можно выявить новые варианты решения задачи, которые при простом переборе могли быть упущены.

План действия. Метод предусматривает выполнение работ в пять этапов [15]:

1. Точная формулировка задачи (проблемы), подлежащей решению.

Если первоначально ставить вопрос об одной конкретной системе, метод непосредственно обобщает изыскание на все возможные системы с аналогичной структурой и в итоге дает ответ на более общий вопрос. Например, необходимо изучить морфологический характер всех видов транспортных средств и предложить новую эффективную конструкцию устройства для транспортирования по снегу - снегохода.

2. Составление списка всех морфологических признаков, то есть всех важных характеристик объекта, его параметров, от которых зависит решение проблемы и достижение основной цели.

Точная формулировка и определение класса изучаемых систем (устройств) позволяют раскрыть основные признаки или параметры, облегчающие поиск новых решений. Применительно к транспортному средству (снегоходу) морфологическими признаками могут быть: А - двигатель; Б-движитель, В - опора кабины, Г - управление, Д - обеспечение заднего хода и так далее.

3. Раскрытие возможных вариантов по каждому морфологическому признаку (характеристике) путем составления матрицы.

Каждая из n характеристик (параметров, морфологических признаков) обладает определенным числом различных вариантов, независимых свойств, форм конкретного выражения. Например, для снегохода варианты: А1 - двигатель внутреннего сгорания; А2 - газовая турбина, АЗ -электродвигатель, А4 - реактивный двигатель и так далее; Б1 - воздушный винт, Б2 - гусеницы, БЗ - лыжи, Б4 - снегомет, Б5 - шнеки и так далее; В1 - опора кабины на снег, В2 - на двигатель, ВЗ - на движитель и так далее. Сочетание одного из возможных вариантов морфологического признака с другими от каждого признака дает одно из возможных технических решений.

Структура технической системы может быть выражена морфологическими признаками (например, в приведенном примере - формулой АБ-ВГД...), но сочетание их конкретных вариантов (например, А1 Б2 В1 ГЗ Д4)- лишь одно конкретное из множества технических решений, вытекающих из закономерностей строения системы.

Совокупность всех возможных вариантов, каждого из перечисленных морфологических признаков, выраженная в виде матрицы, дает возможность определить полное число решений в этом случае

n

N = П К_i

i = 1

Если в приведенном выше примере ограничиться только названными морфологическими признаками, то число возможных вариантов решений будет определяться следующим образом:

N = 4х5хЗх...х...

Если построить n-мерное пространство (где n - число морфологических признаков) и на каждой из осей, принадлежащей одному из признаков, отложить все возможные его варианты, то получим "морфологический ящик" (название, удачное для трехмерного пространства, то есть для трех признаков). В каждой точке его, характеризуемой n конкретными координатами, находится одно возможное техническое решение.

Очень важно, чтобы вплоть до данного момента не ставился вопрос о практической осуществимости и ценности того или иного варианта решения. Такая преждевременная оценка всегда наносит ущерб беспристрастному применению морфологического метода. Однако сразу после получения всех возможных решений можно сопоставить их с любой системой принятых критериев.

4. Определение функциональной ценности всех полученных вариантов решений.

Это наиболее ответственный этап метода. Чтобы не запутаться в огромном числе решений и

деталей, оценка их характеристик должна проводиться на универсальной и, по возможности, простой основе, хотя это не всегда легкая задача.

Должны быть рассмотрены все N вариантов решений, вытекающих из структуры морфологической таблицы, и проведено их сравнение по одному или нескольким наиболее важным для данной технической системы показателям.

5. Выбор наиболее рациональных конкретных решений. Нахождение оптимального варианта может осуществляться по лучшему значению наиболее важного показателя технической системы.

Морфологический анализ создает основу для системного мышления в категориях основных структурных признаков, принципов и параметров, что и обеспечивает высокую эффективность его применения. Он является упорядоченным способом исследования, позволяющим добиться систематического обзора всех возможных решений данной крупномасштабной проблемы. Метод строит мышление таким образом, что генерируется новая информация, касающаяся тех комбинаций, которые при бессистемной деятельности воображения ускользают от внимания.

Хотя морфологическому образу мышления внутренне присуще убеждение, что все решения могут быть реализованы, при этом, естественно, многие из них оказываются сравнительно тривиальными. Трудность применения морфологического анализа заключается в том, что до сих пор не существует какого-либо действительно практического и универсального метода оценки эффективности того или иного варианта решения. Если бы он был найден, то можно было исходя только из теоретических соображений выбирать оптимальную комбинацию элементов для каждого проектируемого устройства. Таким образом, процесс изобретения был бы заменен непосредственным анализом альтернативных вариантов, что по силам и ЭВМ. Чаще всего, конечно, оказывается, что рабочие характеристики устройства, в основу построения которого положена неизвестная ранее комбинация элементов, являются более или менее неопределенными.

Применение. Морфологический анализ может быть использован как на первых этапах поиска технических идей и решений, так и на последней фазе поиска, когда найдена новая техническая идея, удовлетворяющая поставленным требованиям. В этом случае приемы морфологического анализа могут быть применены для расширения сферы использования найденной идеи и для нахождения различных вариантов реализации найденной идеи с целью ее развития и совершенствования.

В силу своей универсальности приемы морфологического анализа могут быть использованы, таким образом, на различных этапах поиска при решении самых разнообразных технических задач, причем не только при поиске идей, но и в других видах инженерной деятельности, например при подготовке материалов для руководства, в обучении и прочее. Поэтому внедрение этих приемов в практику работы инженеров может повысить эффективность их деятельности в целом.

Наиболее целесообразно использовать морфологический анализ при решении конструкторских задач общего плана: при проектировании машин и поиске компоновочных или схемных решений. Например, требуется предложить новый тип индивидуального транспорта в условиях города, выбрать рациональную конструкцию подводного (донного) транспорта и так далее. Метод может применяться для выполнения простых изобретений, а также при прогнозировании развития технических систем, при определении возможности патентования в том или ином абстрактном виде комбинаций основных параметров с целью "заблокировать" будущие изобретения.

Однако его использование предполагает наличие определенной исходной информации об аналогах технического объекта, подвергаемого анализу.

Применение морфологического анализа возможно на эмпирическом уровне, когда исходная информация перерабатывается по довольно формальным признакам, и на естественном уровне, предполагающем вскрытие природы всего класса объектов, к которому относится объект анализа.

Овладение приемами морфологического анализа позволяет не только увеличить поисковый потенциал инженера, но и способствует повышению эффективности всей его деятельности, связанной с разработкой и совершенствованием новой техники.

АРИЗ

Одной из научно обоснованных и хорошо зарекомендовавших себя в практике массового технического творчества является методика программного решения технических задач, созданная изобретателем Г.С.Альтшуллером. Он назвал ее алгоритмом решения изобретательских задач (АРИЗ)[2]. Методика основана на учении о противоречии. Алгоритм -это комплекс последовательно выполняемых действий (шагов, этапов), направленных на решение изобретательской задачи (понятие "алгоритм" используется здесь не в строгом математическом, а более широком смысле). Процесс решения рассматривается как последовательность операций по выявлению, уточнению и преодолению технического противоречия. Последовательность, направленность и активизация мышления достигаются при этом ориентировкой на идеальный конечный результат (ИКР), то есть идеальное решение, способ, устройство.

Совершенствуемый технический объект рассматривается как целостная система, состоящая из подсистем, взаимосвязанных элементов, и одновременно являющаяся частью надсистемы, состоящей из взаимосвязанных систем. Перед решением прямой задачи, связанной с техническим объектом, производят поиск задач в надсистеме (обходные задачи) и выбирают наиболее приемлемый путь.

При постановке задачи в АРИЗ учитывается тот факт, что источником психологической инерции служит техническая терминология и пространственно-временные представления объекта. Поэтому рекомендуют формулировать нежелательный эффект или главную трудность какой-либо ситуации, а не требования того, что надо сделать.

Действие психологической инерции уменьшают также применением оператора РВС (Размеры – Время-Стоимость), суть которого состоит в проведении серии мысленных экспериментов по изменению размеров объекта от заданной величины до 0 и затем до ∞ времени действия (скорости) объекта от заданного до 0 и затем до ∞ и стоимости объекта от заданной до 0 и до ∞. Формулировка условий задачи дается по определенной схеме в терминах, доступных неспециалисту.

Стратегия решения изобретательской задачи по АРИЗ (рис.7) состоит в следующем. Формулируют исходную задачу (ЗИ) в общем виде. Обрабатывают и уточняют ее, учитывая действие вектора психологической инерции (ВИ) и технические решения в данной и других областях.

Излагают условия задачи, состоящие из перечисления элементов технической системы и нежелательного эффекта, производимого одним из элементов. Затем формулируют по определенной схеме ИКР. Он служит ориентиром (маяком), в направлении которого идет процесс решения задачи (при формулировке ИКР не нужно задумываться над тем, как он будет достигнут).

В сравнении ИКР с реальным техническим объектом выявляется техническое противоречие, а затем его причина - физическое противоречие (на рис.16 противоречие между ИКР и 30 может быть проиллюстрировано расстоянием между ними на плоскости поискового поля).

Понятие о техническом противоречии основано на том что всякая техническая система, машина или процесс характеризуется комплексом взаимосвязанных параметров: вес, мощность и так далее. Попытка улучшить один параметр при решении задачи известными способами неизбежно приводит к ухудшению какого-либо другого параметра. Так, увеличение прочности конструкции может быть связано с недопустимым увеличением веса, увеличение производительности - с недопустимым ухудшением качества, повышение точности - с недопустимым увеличением расходов и так далее.

Смысл АРИЗ состоит в том, чтобы путем сравнения идеального и реального выявить техническое противоречие или его причину - физическое противоречие - и устранить (разрешить) их, перебрав относительно небольшое число вариантов.

Интуиция - это секрет, при помощи которого в любой ситуации спонтанно находят верное решение.

Алгоритм решения изобретательских задач

Часть 1. Выбор задачи

1.Определить конечную цель решения задачи.

2.Проверить обходной путь. Допустим, задача принципиально нерешима: какую другую задачу надо решить, чтобы получить требуемый конечный результат?

3.Определить, решение какой задачи целесообразнее - первоначальной или одной из обходных, и выбрать.

4.Определить требуемые количественные показатели.

5.Уточнить требования, вызванные конкретными условиями, в которых предполагается реализация изобретения.

6.Уточнить задачу, используя патентную информацию.

7.Применить оператор РВС.

Часть 2. Построение модели задачи

1. Записать условия задачи, не используя специальные термины.

ПРИМЕР

Шлифовальный круг плохо обрабатывает изделия сложной формы с впадинами и выпуклостями, например ложки, заменять шлифование другим видом обработки невыгодно, сложно, применение притирающихся ледяных шлифовальных кругов в данном случае слишком дорого. не годятся и эластичные надувные круги с абразивной поверхностью - они быстро изнашиваются. Как быть?

2. Выделить и записать конфликтующую пару элементов.

Правило 1. В конфликтующую пару элементов обязательно должно входить изделие.

Правило 2. Вторым элементом пары должен быть элемент, с которым непосредственно взаимодействует изделие (инструмент или второе изделие).

Правило 3. Если один элемент (инструмент) по условиям задачи может иметь два состояния, надо взять то состояние, которое обеспечивает наилучшее осуществление главного производственного процесса (основной функции всей технической системы, указанной в задаче).

Правило 4. Если в задаче есть пары однородных взаимодействующих элементов (А1,А2,... и Б1,Б2...), достаточно взять одну пару (А1Б1).

ПРИМЕР

Изделие - ложка. Инструмент, непосредственно взаимодействующий с изделием, - шлифовальный круг.

3. Записать два взаимодействия (действия, свойства) элементов конфликтующей пары: имеющееся и то, которое надо ввести; полезное и вредное.

ПРИМЕР

1. круг обладает способностью шлифовать,

2. круг не обладает способностью приспосабливаться к криволинейным поверхностям.

2. Записать стандартную формулировку модели задачи, указав конфликтующую пару и техническое противоречие.

ПРИМЕР

Даны круг и изделие. круг обладает способностью шлифовать, но не приспосабливается к криволинейной поверхности изделия.

Часть 3. Анализ модели задачи

1. Выбрать из элементов, входящих в модель задачи, тот, который можно легко изменить, и так далее.

Правило 5.Технические объекты легче менять, чем природные.

Правило 6.Инструменты легче менять, чем изделия.

Правило 7.Если в системе нет легко изменяемых элементов, следует указать "внешнюю среду".

ПРИМЕР

форму изделия нельзя менять: плоская ложка не будет держать жидкость. круг можно менять (сохраняя его способность шлифовать) - таковы условия задачи.

2. Записать стандартную формулировку ИКР (идеального конечного результата).

Элемент (указать выбранный на шаге 1) сам (сама, само) устраняет вредное взаимодействие, сохраняя способность выполнять (указать полезное взаимодействие).

Правило 8. В формулировке ИКР всегда должно быть слово "сам" ("сама","само").

ПРИМЕР

круг сам приспосабливается к криволинейной поверхности изделия, сохраняя способность шлифовать.

3. Выделить ту зону элемента (указанного на шаге 2), которая не справляется с требуемым по ИКР комплексом двух взаимодействий. Что в ней - вещество, поле? Показать эту зону на схематическом рисунке, обозначив ее цветом, штриховкой и тому подобное.

ПРИМЕР

Наружный слой круга (внешнее кольцо, обод); вещество (абразив, твердое тело)

4. Сформулировать противоречивые физические требования, предъявляемые к состоянию выделенной зоны элемента конфликтующими взаимодействиями (действиями, свойствами).

А. Для обеспечения (указать полезное взаимодействие или то взаимодействие, которое надо, сохранить) необходимо (указать физическое состояние: быть нагретой, подвижной, заряженной и так далее).

Б. Для предотвращения (указать вредное взаимодействие или взаимодействие, которое надо ввести) необходимо (указать физическое состояние: быть холодной, неподвижной, незаряженной и так далее).

Правило 9.Физические состояния, указанные в пп. А и Б, должны быть взаимопротивоположными.

ПРИМЕР

А. Чтобы шлифовать, наружному слою круга надо быть твердым (или жестко связанным с центральной частью круга для передачи усилий).

Б. Чтобы приспосабливаться к криволинейным поверхностям изделия, наружному слою круга не надо быть твердым (или не быть жесткосвязанным с центральной частью круга).

5. Записать стандартные формулировки физического противоречия.

Полная формулировка: (указать выделенную зону элемента) должна (указать состояние, отмеченное на шаге и.), чтобы выполнять (указать полезное взаимодействие), и должна (указать состояние, отмеченное на шаге Б.), чтобы предотвращать (указать вредное взаимодействие).

Краткая формулировка: (указать выделенную зону элемента) должна быть и не должна быть.

ПРИМЕР

Наружный слой круга должен быть твердым, чтобы шлифовать изделие, и не должен быть

твердым, чтобы приспосабливаться к криволинейным поверхностям изделия.

Наружный слой круга должен быть и не должен быть.

Часть 4. Устранение физического противоречия

1. Рассмотреть простейшие преобразования выделенной зоны элемента, то есть разделение противоречивых свойств. (В пространстве, во времени и так далее.)

Если получен физический ответ (то есть выявлено необходимое физическое действие), перейти к 5, а если нет - перейти к 2.

2. Использовать, таблицу типовых моделей задач и выполненных преобразований. Если получен физический ответ, перейти к 4, а если нет - перейти к 3.

ПРИМЕР

Если разделить круг на две части, то наружная часть улетит под действием центробежной силы. Поэтому центральная часть круга должна крепко держать наружную часть и в то же время должна давать ей возможность свободно изменяться, при использовании магнитного поля и ферромагнитного порошка появляется возможность сделать наружную часть круга подвижной, меняющейся и обеспечить требуемую связь между частями круга.

3. Использовать таблицу применения физических эффектов и явлений. Если получен физический ответ, перейти к 5, а если нет - перейти к 4.

ПРИМЕР

Применить электромагнитное поле.

4.Использовать таблицу основных приемов устранения технических противоречий. Если до этого получен физический ответ, использовать таблицу для его проверки.

5.Перейти от физического ответа к техническому: сформулировать способ и дать схему устройства, осуществляющего этот способ.

ПРИМЕР

Центральная часть круга выполнена из магнитов. Наружный слой состоит из ферромагнитных частиц или абразивных частиц, спеченных с ферромагнитным. Так, наружный слой будет принимать форму изделия. В то же время он сохранит твердость, необходимую для шлифовки.

Часть 5. Предварительная оценка полученного решения

1.Провести предварительную оценку.

2.Проверить (по патентным данным) формальную новизну полученного решения.

Какие подзадачи могут возникнуть при технической разработке полученной идеи? Записать возможные подзадачи - изобретательские, конструкторские, расчетные, организационные.

Часть 6. Развитие полученного ответа

Определить, как дожна быть изменена надсистема, в которую входит измененная система.

Проверить, может ли измененная система применяться по-новому.

Использовать полученный ответ при решении других технических задач.

Часть 7. Анализ хода решения

1.Сравнить реальный ход решения с теоретическим. Если есть отклонения - записать.

2.Сравнить полученный ответ с табличными данными (таблица физических эффектов, таблица основных приемов [1,2,15]). Если есть отклонения - записать.

Приведенный алгоритм направляет мысль изобретателя по оптимальному пути поиска решения творческой технической задачи. Более подробно алгоритм решения изобретательских задач приведен в [1,2].