Методическое пособие 76

1

УДК 658.52.011.56.012.3.05

Способы генерирования инженерно-технических решений. Учеб. Пособие / А.М. Литвиненко : Воронежский государственный технический университет. Воронеж, 2000 41 с.

В учебном пособии рассмотрены вопросы активизации научного творчества на основе, в основном, эвристических методов, в том числе морфологического анализа, ассоциативных методов, методов аналогий, ТРИЗ, адаптивного координатно-операторного подхода к проектированию технических систем.

Издание предназначено для студентов специальностей 210100 ―Управление и информатика в технических системах‖ и 180400 ―Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов‖.

Табл. 1. Ил. 12 Библиография: 43 назв.

Печатается по решению редакционного издательского совета ВГТУ

2

Предисловие Научно-техническая революция, современниками которой мы являемся, -

одно из величайших событий последних десятилетий. Ее достижения оказывают непосредственное и решающее воздействие на развитие мировой экономики, открывают неисчерпаемые возможности для роста благосостояния всех народов мира.

Существенное возрастание роли информации в развитии экономики – одна из характерных черт научно-технической революции. Эффективный обмен информацией между представителями различных областей науки и техники, а также между учеными, инженерами, руководителями и потребителями результатов исследований и разработок стал обязательным условием ускоренного экономического и научно-технического развития.

Информация сегодня – важнейший составной компонент исследований и разработок. Дело в том, что превращение науки в непосредственную производительную систему привело к интенсификации движения информации между сферами науки, техники, производства и потребления. Уровень развития производительных сил теперь во многом характеризуется количеством информации, используемой как при разработке и производстве технических средств, так и при управлении этими процессами.

Тем более важным представляется совершенствование систем получения новых знаний, в том числе, в области техники.

Учебное пособие ―Способы генерирования инженерно-технических решений‖ предназначено для организации учебного процесса по курсам ―Основы научных исследований‖, ―Патентоведение и маркетинг в области управления и информатики‖, ―Конструирование и технология систем управления, САПР‖, для студентов специальностей 210100 ―Управление и информатика в технических системах‖, 180400 ―Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов‖ дневной и заочной форм обучения.

В пособии рассматриваются вопросы активизации научного творчества на основе эвристических методов, в том числе морфологического анализа, методов систематизации поисков, ассоциативные методы, методы аналогий, ТРИЗ, а также адаптивный координатно-операторного подход к проектированию технических систем.

Специальная методическая литература, в полной мере отражающая современные достижения в области генерирования технических идей, в области управления и электромеханики и доступная по форме, практически отсутствует. Данное пособие является одной из попыток устранить этот пробел.

Автор выражает благодарность всем коллегам и рецензентам за критические замечания, а так же благодарит И. Ефимову, Т. Лозовую, И. Ожерельева и Е. Бакланова за помощь в подготовке рукописи к изданию.

3

1. Роль информации об изобретениях и способах генерации технических идей при проведении научно-исследовательских работ.

С каждым годом все больше осознаются потребности экономики в научнотехнической и, в частности, патентной информации. Информовооруженность любого труда – наряду с электровооруженностью, техновооруженностью и т.д.

– становиться одним из важнейших показателей научно-технического прогресса. Если электричество – самый дешевый и удобный вид энергии для механического труда, то информация – как бы энергия труда умственного. Рост значения информации в наши дни вызван, в значительной степени, и новым взглядом на роль управления как одного из важнейших факторов экономического и научно-технического развития. Для целей управления с каждым годом требуется перерабатывать все большие объемы самой различной информации. Поэтому нельзя не согласиться с утверждением, что управление национальной экономикой превращается в громадную индустрию по переработке информации с целью принятия оптимальных решений.

В условиях научно-технической революции процесс создания и освоения новых технических средств непрерывно усложняется. Наука, техника, производство все более дифференцируются на различные отрасли. Разработка новой техники расчленяется на ряд различающихся по своей природе этапов. В итоге резко возрастает значение управления прикладными исследованиями и изобретательством, разработкой и освоением новых средств техники и технологии. В этих условиях информационная деятельность вынуждена все в большей степени ориентироваться на нужды управления, так как в основе хорошего управления лежит оперативная и достоверная информация. [5].

Важным средством управления процессом создания новой техники служит информация об изобретениях. Ее успешно используют при определении технической и инновационной политики отраслей национальной экономики, в частности, при прогнозировании и планировании технического прогресса, при проведении различных видов ведомственной и вневедомственной научнотехнической экспертизы, при экономическом стимулировании и материальном поощрении создателей новой техники.

Анализ информации об изобретениях перед началом исследований и разработок повышает вероятность принятия оптимальных решений относительно целесообразности осуществления собственных разработок или заимствования чужих достижений путем покупки лицензий либо проведения совместных работ. В первом случае с ее помощью облегчается определение перспективных направлений исследований и разработок, а во втором – поиск наиболее эффективных решений, которыми целесообразно воспользоваться.

На последующих стадиях исследований и разработок обращение к информации об изобретениях дает возможность объективно оценить полученные результаты. Выполнение разработки на уровне изобретений показывает, что она выводит данную организацию или отрасль на авангардные

4

позиции в современной мировой техники. И наоборот, отсутствие охраноспособных технических решений свидетельствует, что работа свелась, очевидно, к созданию уже известного и отстала от мирового уровня.

С помощью информации об изобретениях определяется не только научнотехнический уровень, но и конкурентоспособность законченной разработки, обеспечивается принятие оптимального решения о продаже лицензии, организации экспортных поставок и т.п.

Однако сегодня ни один поток научно-технической информации, включая информацию об изобретениях, не в состоянии полностью удовлетворить информационные потребности в ходе исследований и разработок. Все большее значение приобретает комплексное использование всех необходимых видов информации – научно-технической, экономической, об изобретениях, конъюнктурной и др. Поэтому следующая задача заключается в построении системы целенаправленного информационного обеспечения исследований, разработки и освоения принципиально новой техники на базе изобретений, патентно-лицензионных операций и функций управления этими процессами посредством комплексного использования различных информационных источников и синтезирования недостающих данных на базе широкого применения современных технических средств. В связи с этим предстоит решить проблемы более полной совместимости системы информации об изобретениях с другими информационными системами и системами управления, усовершенствовать методы, средства и организационные формы переработки и использования информации об изобретениях в комплексе с другими необходимыми информационными источниками.

К их числу относится и информация о генерировании новых инженернотехнических решений, потенциально могущих быть изобретениями, т.е. обладающими мировой новизной и полезностью. Можно привести немало примеров, которые наглядно подтверждают исключительную важность такой информации в деле стимулирования и непосредственного обеспечения технического прогресса. В большинстве научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций нашей страны использование этой информации стало обязательным составным компонентом научнопроизводственного процесса, направленного на создание новой техники.

2. Изобретательство в инженерной деятельности [4]

Решение изобретательских задач – может быть почти самый древний вид человеческой деятельности. ―Истина открывается тем, кто ее разыскивает‖, - Д.И. Менделеев. Придумать что-либо новое – это может быть изобретение или открытие – если удается найти какое-либо ранее неизведанное явление в природе.

Изобретением называется новое, обладающее существенным отличием техническое решение задачи. Оно должно характеризоваться совокупностью

5

признаков, каждый из которых является новым – ранее неизведанным. Новизна определяется по сравнению с прототипом – наиболее близким изобретению способом или устройством, известным в момент появления заявки [6]. Положительный эффект от изобретения может быть не обязательно экономическим, а решением экологических, эргономических или эстетических проблем, улучшающих условия труда, качество продукции, способствующих диагностике и лечению заболеваний. Отличительная особенность изобретения

– то, что оно требует оригинального решения, которое находится нетрадиционными методами, часто озарением, а не строгим логическим или математическим решением.

Любая отрасль промышленности, если она не развивается, не совершенствуется – не жизнеспособна в современном мире. Развитие производства связано, главным образом, с созданием новых видов продукции. Технические системы, также как биологические и многие другие – не вечны. Они возникают, преодолевают период становления, расцвета, упадка и, наконец, сменяются другими.

Типичная история жизни технической системы показана на рис.1, где на оси абсцисс отложено время, а на оси ординат – один из главных показателей (например, скорость самолета, грузоподъемность танкера, масса выпускаемых телевизоров и т.п.). Возникнув, новая техническая система далеко не сразу находит массовое применение. Идет период обрастания вспомогательными изобретениями, делающими новый принцип осуществимым. Далее система активно развивается, ассимилирую множество частных усовершенствований, но сохраняя неизменным общий принцип. С некоторого момента (точки 2) темп развития замедляется. Это обычно происходит, когда обостряются противоречия между данной системой и другими, или внешней средой. Некоторое время она еще развивается, но темп развития падает. Она приближается к точке 3, за которой исчерпывают себя физические принципы, положенные в основу системы. На смену системе А приходит система Б. Изменение количества изобретений (см. рис.1,б) проходит в несколько этапов: на первом – происходят массовые применения системы, на втором – попытка продлить жизнь системы за счет мельчайших изменений. На рис.1,в показано изменение уровней изобретений во времени. Рождение системы связано строго с четвертым уровнем изобретений и пиком его применения. Затем уровень снижается. На рис.1,г показано изменение средней эффективности изобретения. Крупные и великие изобретения четвертого и пятого уровня вначале не дают прибыли. Она появляется при массовом производстве изделия.

В теории решения изобретательских решений (ТРИЗ) принято делить изобретения на пять уровней сложности.

Первый – устранения противоречий достигается мелкими изобретениями. Средства решения лежат в пределах одной профессии. Вариантов изменения мало (не более 10) и изменения локальны. Это конструкторское решение

7

начало интенсивного роста системы А; замедление темпов роста системы А, система Б приходит на смену системы

А;

система А себя исчерпала; 11- абсцисса этой точки системы Б близка к абциссе точки 3 системы А;

переход к массовому применению системы; мелкие изобретения для продолжающей жизнь системы;

рождение системы связано с изобретениями 4-го и 5-го уровней; изобретения, позволяющие перейти к массовому применению системы;

3.Традиционные эвристические способы генерирования инженернотехнических решений [1].

3.1 Метод контрольных вопросов.

Начиная с 20-х гг. Разные авторы предлагали различные варианты списков контрольных вопросов. Наиболее известен список А. Осборна, в котором вопросы разбиты на девять групп: Какое новое применение объекту можно предложить? Можно ли упростить объект? Какие модификации его возможны? Что можно увеличить в объекте? Что можно уменьшить? Что можно заменить? Что можно преобразовать? Что можно перевернуть наоборот? Какие возможны комбинации элементов объекта?

Взависимости от специфики, сложности, характера функций анализируемого объекта, целей поиска каждая группа может быть дополнена более конкретными вопросами, подсказанными опытом изобретателя.

Впромышленно развитых странах такого рода вопросники применяются давно и довольно широко. Их популярность в немалой степени связана с

8

обусловленной конкуренцией необходимостью постоянно стимулировать активную поисковую работу изобретателя, подталкивать его, не давая остановиться.

В современных условиях метод контрольных вопросов может быть использован лишь на начальных стадиях постановки или решения технически несложных задач. Дело в том, что любая формулировка вопроса обычно имеет в виду возможные одиночные изменения объекта. Решение же сложных задач требует комбинации, однако здесь нет методических рекомендаций, как это сделать и как оценить полученные результаты.

3.2 Метод морфологического анализа в современном виде предложен швейцарским физиком Фрицом Цвикки в 30-х гг. нашего века. Впервые для решения крупных технических задач он был успешно применен в 1942 г. во время работы Цвикки в США над ракетным двигателем.

Цель метода заключается в том, чтобы попытаться охватить все многообразие вероятных решений задачи, выявить и исследовать любые возможные варианты, вытекающие из закономерностей строения (морфологии) совершенствуемого объекта. Словом, выйти в новые зоны поиска, далекие от тех, что лежат на виду, и ―отловить‖ неожиданные, оригинальные решения.

При использовании метода рекомендуется придерживаться следующей последовательности операций: точно сформулировать проблему; выявить и составить перечень основных характеристик (признаков, параметров) исследуемого и совершенствуемого объекта или процесса; перечислить все возможные (альтернативные) варианты изменений каждой характеристики или параметра; комбинируя все возможные сочетания характеристик; рассмотреть все возникающие варианты решения; проанализировать наиболее приемлемые сочетания, отобрать лучшие с точки зрения возможности осуществления и эффективности применения. Главное в этом методе – получение множества сочетаний характеристик.

По Цвикки и его последователям, такой анализ, основанный на построении двухмерных таблиц из характеристик объекта и вариантов их изменений или многомерных матриц, методически облегчает нахождение нужных решений. Он значительно более эффективен, чем поиск с помощью бессистемных проб. Но нужно иметь в виду, что результативность морфологического анализа зависит не только от полноты учета характеристик (параметров) объекта и набора вариантов по каждой из них. Чем больше вариантов и их сочетаний, тем выше вероятность успешного поиска, но тем и, труднее проанализировать множество сочетаний.

Для пояснения сущности морфологического анализа приведем простой пример.

Предположим, что нужно найти наиболее приемлемую форму тары для молока, отвечающую требованиям розничной торговли. Рассмотрим две главные переменные характеристики: емкость и форму. Варианты емкости:

9

0.25 л, 0.5 л, 1л, 2л, 3л. Варианты формы тары: сферическая, цилиндрическая, коническая, в виде параллелепипеда или трехгранной пирамиды (тетраэдра).

Построим двухмерную морфологическую таблицу (матрицу), где по вертикали указаны варианты формы, а по горизонтали – варианты емкости (табл. 1). Получим 25 (5*5) возможных комбинаций (1-1, 1-2 и т.п.), каждую из которых следует рассмотреть с точки зрения требований производства, транспортировки, торговли и покупателя, проанализировать экономическую и потребительскую целесообразность всех комбинаций. Оценка их ведется экспертным путем. Оптимальные варианты выбирают из числа нескольких, получивших высшие экспертные оценки.

Таблица 1

Можно напомнить, что варианты 2-2 и 2-3 (бутылки), 4-3 и 5-2 (пакеты) реализованы на практике.

Однако емкость и форма – не единственные характеристики тары. Важен также приемлемый материал для ее изготовления. Варианты могут быть такими: стекло, металл, бумага, пластмасса, полимерная пленка, композит из бумаги и полимерной пленки.

При необходимости рассмотреть все три характеристики одновременно нужно построить трехмерную матрицу – ―морфологический ящик‖ (рис.1). В данном случае он содержит 150 (5*5*6) альтернативных вариантов сочетаний характеристик тары. Из них и выбирают один или несколько оптимальных вариантов. В числе реализованных – варианты А3Б4В6, А2Б5В6, А2Б2В1 и некоторые другие.

При большом количестве переменных характеристик приходится дробить многомерную матрицу на отдельные двухмерные и трехмерные.

В нашем примере отобранные для возможного использования варианты