15. Методы поиска новых научных и технических решений

15.1. Эвристика как наука

Творчество (в том числе и техническое) основано на происходящих в коре головного мозга человека процессах обработки информации, до настоящего вре­мени не изученных в полной мере. Поэтому мы будем изучать не основы творчества, а лишь неко­торые формализованные приемы, облегчающие поиск оптимальных решений технических задач. Аналогичные методы характерны и для решения научных задач. Поскольку проблематика научных исследований тесно связана с методологией технического творчества, представляется целесообраз­ным, на наш взгляд, расширить содержание основ научных исследований за счет методов технического творчества.

Что такое эвристика и в чем состоит смысл эвристи­ческого образования для современных специалистов? Эвристика — наука о методах творчества. Ее основы были заложены еще в античное время в трудах Архи­меда, Гераклита, Сократа, а в средние века — в работах Декарта, Лейбница, Бэкона. Архимед — редчайшее в науке сочетание высокого теоретика с виртуозом инже­нером-практиком. В нем постоянно жила страсть к изобретательству, к материальному воплощению най­денных им теоретических закономерностей. И через века всегда будут слышать потомки его радостный и гор­дый возглас, боевой клич искателей, первооткрывателей в науке: «Эврика!.. Я нашел!».

Отец современной космонавтики К. Э. Циолковский, словно предугадывая открытие лазерной техники, ставил инженерную задачу сегодняшнего дня: организация космической связи с помощью параллельного пучка электромагнитных лучей с небольшой длиной волны, электрических или даже световых. В то время еще не было ЭВМ, но гениальный ученый справедливо и прозорливо предсказывал, что математика проникнет во все области знаний.

Надвигающиеся опасности «эколого-энергетического цейтнота» в сочетании с реальным фактом нехватки тру­довых ресурсов и исключительной сложностью эколого-энергетических проблем требуют резкой интенсифика­ции труда, причем в первую очередь труда интеллек­туального, в сфере которого за предельно сжатые исто­рические сроки должны быть найдены кардинальные научно-технические решения типа новых экологически чистых энерготехнологий. И в этом направлении, безусловно, перспективна интенсификация труда ученых и инженеров на базе расширения технических возмож­ностей ЭВМ, систем автоматизированного проектирова­ния (САПР). Но ЭВМ (даже самого высокого поколения) и САПР не в состоянии решать интеллектуальные задачи революционного научно-технического характера на уровне открытий и изобретений, на уровне крупных качественных скачков, которые обусловливают необхо­димость перестройки ориентации подготовки инженеров в период «эколого-энергетического цейтнота».

За последние 50 лет начало развиваться новое научное направление, которое условно можно назвать научно-инженерной эвристикой, изучающее механизмы, алгоритмы, законы, методы работы творческого человече­ского интеллекта и копирование принципов его работы на ЭВМ. Это нашло свое отражение в постановке таких дисциплин в высшей школе, как «Основы научных исследо­ваний» и «Основы технического творчества».

Интенсификация работ по модернизации научно-ин­женерной эвристики не только непосредственно миними­зирует затраты на оплату труда научных и инженерно-технических работников, но одновременно минимизирует затраты капитальные, энергетические, материальные и т. д. Последнее сводится к максимизации производительности труда и качества выпускаемой продукции, что является ключевым, узловым вопросом в решении главной проблемы современности. Поэтому наряду с формированием эколо­гического мировоззрения необходимо обеспечить макси­мальную интенсификацию всего комплекса работ по научно-инженерной эвристике как ключевых в период «эколого-энергетического цейтнота».

В настоящее время большое вни­мание уделяется эвристической деятельности и эвристи­ческому образованию инженеров различных специально­стей и способам повышения эффективности эвристик, как важного научного направления. К сожале­нию, большая часть исследований не относится непо­средственно к техническим задачам (проектирова­ние систем и устройств), а имеет отношение к общим, философским или кибернетическим вопросам творческой деятельности инженеров. Все же материалы этих работ позволяют сформулировать ряд конкретных рекомендаций, которые совершенствуют эвристическую деятельность разработчиков в процессе проектиро­вания устройств и систем. Указан­ные рекомендации можно представить в виде организа­ционных приемов и методических мероприятий.

К организационным приемам относятся меры, на­правленные на улучшение организации труда проекти­ровщиков: подбор и распределение кадров, обеспечение оптимального взаимодействия инженеров различных специальностей; повышение квалификации кадров; со­здание творческой атмосферы и стимулов изобретатель­ства; обеспечение необходимым оборудованием, материа­лами, аппаратурой, контрольно-измерительной техни­кой; организация оперативной и своевременной научно-технической информации и т. п.

Методические мероприятия состоят из совокупности приемов и рекомендаций, направленных на повышение эффективности творчества разработчиков: сокращение времени поиска новых технических решений; оптимиза­ция цели или обеспечение методологии оптимизации гарантий в процессе проектирования; применение ма­шинных методов проектирования и САПР.

В последующем изложении будем рассматривать лишь методические мероприятия и рекомендации эвристиче­ской деятельности разработчиков. Однако следует знать, что большинство из них дают эффект при разработке и проектировании относительно простых систем и устройств.

Пути повышения эффективности эвристических ре­шений имеют исключительную важность, так как они в целом определяют успех математических и эксперимен­тальных исследований и создают предпосылки для опти­мизации процесса проектирования новых высокоэффектив­ных систем и устройств. Эвристический подход в процессе проектирования новых технических систем приме­няется для решения следующих основных задач :

— выбор и формулировка цели проектирования;

— выбор физических принципов действия системы;

— обоснование математической модели проектируе­мой системы, полезных и мешающих воздействий;

— выбор схемотехнической и элементной базы (при отсутствии жестких ограничений и необходимости твор­ческого подхода);

— трактовка результатов исследования и принятие окончательных решений.

Эвристическая деятельность разработчиков опира­ется на имеющийся опыт в разработке аналогичных систем и устройств. При этом также могут использо­ваться алгоритмы решения подобных задач и известные результаты теоретических и экспериментальных иссле­дований, проведенных в процессе проектирования и раз­работки.

Одним из наиболее важных этапов техниче­ского творчества в процессе проектирования систем и устройств является выбор цели. Он определяет в це­лом класс разрабатываемой (проектируемой) системы. В большинстве практических ситуаций цель проекти­рования определяется заказчиком в виде тактико-техни­ческих требований (технического задания) на ту или иную разработку. В других случаях цель определяется непосредственно самим разработчиком.

После выбора цели надлежит составить словесную формулировку задачи проектирования. Она не должна быть слишком «жесткой», а должна иметь различные варианты обобщающего характера, позволяющие варьировать решения в целях отыскания наиболее удачного. В некоторых случаях нежесткость словесной формулировки создает предпосылки для превращения практически неразрешимой задачи в разрешимую либо позволяет снять некоторые некорректно поставленные задачи проектирования.

Оценка вариантов словесных формули­ровок обусловливает возможность большего кругозора разработчика и дает ключ к разностороннему анализу поставленной задачи, выявлению ее сущности с опреде­лением главных и второстепенных факторов.

Эвристический поиск путей решения задачи, как правило, следует за этапом ее словесной формулировки.

В процессе эвристического поиска разработчики используют прототипы проектируемой системы и идеальный конечный результат (ИКР).

Прототипами обычно являются известные из литературы (включая авторские свидетельства и патенты) или накопленного опыта разработчиков лучшие варианты построения системы (устройства), которые наиболее близки к задаче проектирования новой системы. Прото­тип может быть единственным, когда он однозначно со­ответствует решению поставленной задачи. В случае неопределенности выбора единственного прототипа (обычно когда один прототип удовлетворяет показате­лям качества системы, но неприемлем в других отноше­ниях) используют несколько прототипов. Недостатки прототипов позволяют целенаправленно подойти к их усовершенствованию, т. е. к решению поставленной задачи (получению ИКР).

Под идеальным конечным результатом проектирова­ния понимается некоторая совокупность идеальных зна­чений р_1и, ..., р_пи и т. д. тех частных показателей каче­ства технической системы р₁, ..., р_п, каждый из которых желательно получить в процессе проектирования идеальным (экстремальным). Обычно идеальное значение p_iи показателя p_i — наилучшее значение, которое можно получить в процессе проектирования как предельное без нарушения основных законов природы. При этом не принимаются во внимание различные технические ограничения как на данный показатель качества, так и на другие показатели качества системы. Таким образом, идеальным (предельным) значением качества является его экстремальное значение (либо p_i =0, либо p_i =∞).

Сформулировать ИКР — это значит создать систему, обладающую определенной совокупностью идеальных показателей качества.

Иными словами, необходимо установить, какие частные показатели качества системы должны быть экстремальными, т. е. определить их идеальные значения.

Пусть в рамках иллюстративного примера основными качественными показателями проектируемой радио­технической системы являются следующие: р₁ — вероят­ность ошибочного приема; р₂— отношение энергии эле­мента сигнала к спектральной плотности аддитивной помехи, действующей в канале; р₃— пропускная спо­собность системы; р₄ — вероятность отказа за данное время действия; р₅ — стоимость; р₆ — масса системы.

Для приведенных параметров в качестве ИКР жела­тельно было бы выбрать систему, у которой р₄→0, р₅ → 0, р₁→0, р₂→∞, р₃→∞, р₆→0.

При увеличении числа показателей качества проек­тируемой системы и стремлении получить их идеаль­ными задача достижения ИКР может стать нереальной. Поэтому обычно при эвристической деятельности проек­тировщики стремятся ограничить число идеализируе­мых показателей качества. Это оказывается возможным, так как в реальных задачах проектирования тех­нических систем не возникает необходимость предель­ного улучшения всех показателей качества p_i. Так, если на этапе проектирования системы известны прото­типы, имеющие вполне приемлемые значения показате­лей р₃ и р₄, но неудовлетворительные значения осталь­ных параметров, то эвристическая деятельность разра­ботчиков должна быть направлена на создание системы, ИКР для которой состоит из совокупности: р₁→0, р₂→∞, р₅→0, р₆→0.

Заметим, что в процессе формулировки ИКР некото­рые показатели качества могут быть противоречивыми по отношению друг к другу, либо когда один из них противоречив по отношению к целой группе показате­лей. Например, достижение р₂→∞ может быть полу­чено увеличением мощности передатчика данной систе­мы. Однако если этим тривиальным приемом восполь­зуются все системы, то ухудшатся показатели р_1, р₅, р₆ и т. д.

Кроме того, увеличение уровня аддитивных помех вследствие ухудшения электромагнитной совместимости систем, возрастания побочных и внеполосных излуче­ний передатчиков приведет к тому, что требование р₂→∞ станет неосуществимым.

Дальнейшая задача эвристической деятельности разработчиков состоит в отыскании способов (эвристических приемов) преодоления технических противоречий.

Под такими приемами понимают следующие. Пусть данное техническое противоречие состоит в том, что улучшение показателя р₁ вызывает ухудшение р₃. При такой ситуации преодолением технического противоре­чия будет отыскание такого приема, который позволяет улучшить р₁ без соответствующего ухудшения показа­теля р₃. В случае, если этот прием приводит к новому противоречию (например, вместо ухудшения р₃ проис­ходит ухудшение р₄), то необходимо найти новый допол­нительный прием, устраняющий и это противоречие. В конечном счете задача состоит в отыскании такой совокупности приемов, которые позволят преодолеть все основные технические противоречия (исходные, а также вызванные введенными приемами).

В качестве примера, приведем перечень приемов преодоления техниче­ских противоречий применительно к проектированию радиотехнических систем, предложенный Л. С. Гуткиным и дополненный Э.Ф. Бабуровым:

1) дробление, или декомпозиция (конструктивная, динамическая, функциональная);

2) объединение, или композиция (конструктивная, динамическая, функциональная);

3) обеспечение универсальности;

4) обеспечение равноправности (в действии частей системы и в действиях при проектировании);

5) обращение вреда в пользу;

6) применение предварительного напряжения (ком­пенсация систематической ошибки);

7) применение адаптации;

8) введение обратной связи;

9) переход в другое измерение (замена временной обработки пространственно-временной, непрерывных сообщений дискретными, цифровыми);

10) замена непрерывного действия импульсным (или наоборот);

11) обеспечение непрерывности полезного действия;

12) введение избыточности (информационной, кон­структивной и др.);

13) устранение избыточности (информационной, кон­структивной и др.);

14) отброс и регенерация частей (подсистем);

15) применение других физических явлений для пере­дачи или извлечения информации;

16) изменение длины волны (рабочей частоты);

17) изменение элементной базы;

18) функциональное согласование человека с ЭВМ;

19) динамическое согласование человека с ЭВМ;

20) применение принципа «начинай работать с конца»;

21) применение принципа «начинай с простого»;

22) рассмотрение крайних (граничных) случаев;

23) проведение последовательных приближений;

24) применение принципа многокритериальности;

25) применение принципа дуальности;

26) применение принципа неопределенности (однозначности величины произведения длительности импульса на ширину полосы занимаемого им спектра);

27) применение принципа взаимности;

28) применение принципа инвариантности (независимости одного параметра от другого);

29) применение принципа нормализации (закон больших чисел—теорема Ляпунова);

30) применение принципа минимаксности (оценка гарантий в теоретико-игровых задачах);

31) применение байесовских оценок;

32) применение аппроксимации марковскими процессами (цепями);

33) применение усреднения;

34) применение рандомизации (случайность выбора номеров опытов при проведении многофакторного экс­перимента);

35) применение условий конфликтной ситуации (тео­ретико-игровой подход);

36) обеспечение асимптотической эффективности;

37) применение линеаризации;

38) применение «замораживания»;

39) применение дискретизации;

40) применение принципов идентификации;

41) применение принципов электромагнитной совме­стимости;

42) применение принципов, исходящих из выполнения требований экономики, энергетики, экологии, эффективности;

43) применение принципов оптимального синтеза;

44) применение теоретико-информационных принци­пов;

45) применение методологии других отраслей наук (биологии, медицины, бионики и др.);

46) применение принципов распараллеливания (при передаче, обработке и извлечении информации).

Список приемов отнюдь не исключает процесса твор­чества, а лишь облегчает его, подсказывая новые оригинальные (нестандартные) направления поиска. Таким образом, отыскание наиболее эффективных приемов пре­одоления технических противоречий преследует цель разрушения инерционности мышления на основе нестан­дартного, творческого подхода к проектированию и раз­работке.