18. Э в р и с т и ч е с к и е м ето д ы п р о е к т и р о в а н и я

Повышение эффективности поиска новых технических решений ме­ тодом проб и ошибок обеспечивается применением эвристических приемов изобретательской деятельности, таких как, например, инверсия, аналогия, метод мозгового штурма и т.д. Эвристические методы рождаются в резуль­ тате анализа уже выполненных проектных разработок. Некоторые из них являются сугубо индивидуальными, связанными с образом мышления кон­ кретной личности. Передаваемые от учителей к ученикам, они зачастую не приносят последним тех результатов, которых добился учитель. Другие приемы и методы, несомненно, полезны всем, помогают преодолеть инер­ цию мышления, служат ориентирами в поиске технических решений.

18.1. Краткий обзор и классификация эвристических методов

Известны различные методические средства решения задач поиско­ вого конструирования: принципы, правша, приемы, эвристики, методы, методики, эвроритмы, алгоритмы и т.д.[1, 32,40, 41]

Между этими методическими средствами пока не установлены чет­ кие границы и иерархические связи. Рассмотрим группу эвристических методов.

Под эвристическим методом понимается последовательность предписаний ши процедур обработки информации, выполняемая с целью поиска более рациональных и новых конструктивных решений.

Для такой последовательности нет обоснованного доказательства, что она является наилучшей в смысле быстродействия или трудоемкости решения задачи, и нет гарантий нахождения наилучшего или глобально оптимального решения.

Эвристические методы часто в определенной ситуации целесообраз­ но использовать, поскольку в этих случаях другие математически обосно­ ванные методы оказываются менее эффективными. Кроме того, они, как правило, содержат процедуры обработки информации, которые или за­

труднительно запрограммировать для ЭВМ, или нецелесообразно выпол­ нять на компьютере.

Эти процедуры, выполняемые человеком, обычно называют эври­ стиками или эврисмами. Они представляют собой предписания, направ­ ленные на решение проблемных задач в условиях дефицита информации или времени. В таких предписаниях используются универсальные проце­ дуры анализа целей и средств, способы правдоподобных рассуждений, ос­ нованные на прошлом опыте, интуиции, аналогии, индукции и др.

С точки зрения принципиальной возможности использования ком­ пьютера в решении задач поискового конструирования можно выделить три группы методов.

I. Полностью формализованные алгоритмы, которые могут быть реализованы в виде программы. В такой программе четко выделяются ис­ ходные данные, задаваемые человеком, и получаемые результаты, выда­ ваемые компьютером.

Следует заметить, что к результатам здесь относится и отсутствие реше­ ния или получение недопустимых решений, не удовлетворяющих человека.

II. Частично формализованные эвристические методыэвроритмы, в которых часть процедур обработки информации может быть описана в виде алгоритмов и соответственно запрограммирована для ЭВМ, а другая часть - эвристики - реализуется человеком. Таким обра­ зом, эвроритмы могут быть реализованы в виде человеко-машинных про­ грамм, которые в ближайшем будущем, очевидно, станут распространен­ ным типом реализации эвристических методов.

III. Полностью неформализованные эвристические методы, со­ стоящие только из набора эвристик. Выделение этой группы оправдывает­ ся только требованием принципиальной полноты классификации, по­ скольку в известных эвристических методах хотя бы небольшую долю об­ работки информации можно передать машине.

Наряду с принципиальной возможностью использования ЭВМ наи­ более интересным для практики представляется рассмотрение эвристиче­ ских методов с точки зрения целесообразности использования ЭВМ. Для определения трудоемкости необходимо знать: приближенное число задач, которые предстоит решить; средние затраты времени на решение отдельных задач с использованием ЭВМ, включая затраты на формализа-

цию, программирование и подготовку необходимой информации на ма­ шинных носителях; средние затраты времени на решение отдельных задач без ЭВМ при условии получения такого же качества решений. Если тру­ доемкость решения задач безмашинным способом существенно выше, то представляется целесообразным использование ЭВМ. Естественно, что трудоемкость нельзя просто вычислить по имеющимся нормативам. Ее можно определить только на основе изучения опыта решения рассматри­ ваемого класса задач без ЭВМ и с использованием ЭВМ. При оценке це­ лесообразности кроме основного фактора - трудоемкости - иногда следу­ ет учитывать и другие, например, психологию восприятия компьютера конструктором-изобретателем и т.д.

Имеющийся практический опыт использования компьютера в ре­ шении задач поискового конструирования позволяет сделать два инте­ ресных вывода.

1.Многие эвристические методы, которые в свое время были разра­ ботаны для безмашинного применения и успешно использовались в таком режиме, оказались еще более эффективными после их частичного про­ граммирования и использования компьютеров (ЭВМ). При этом примене­ ние этих методов без ЭВМ также остается целесообразным в случаях, ко­ гда еще не выполнена работа по формализации и программированию ме­ тода применительно к другим классам технических систем или когда у конструкторов еще нет необходимой вычислительной техники. Чаще все­ го применительно к отдельным классам технических систем и коллекти­ вам конструкторов здесь происходит следующий эволюционный процесс: безмашинное использование метода; создание первой человеко-машинной программы; создание улучшенных модификаций программ, в которых снижается объем обрабатываемой человеком информации. Возможность использования таких эвристических методов в двух режимах (без приме­ нения и с применением компьютера) значительно расширяет область, пер­ спективу и эффективность их применения.

2.Появились методы поискового конструирования, которые в любом случае без ЭВМ применять нецелесообразно (практически невозможно), как не имеет смысла использовать без ЭВМ большинство численных ме­ тодов решения дифференциальных уравнений или систем уравнений.

Укажем на ряд наиболее эффективных, проверенных на практике методов, которые целесообразно использовать как без применения, так и с применением компьютеров. К таким методам относятся:

♦морфологический анализ и синтез технических систем;

♦методы поискового конструирования с помощью различных сис­ тематизированных накопителей информации;

♦методы, основанные на системном анализе функций технических объектов;

♦наборы эвристических приемов;

♦методы поиска физических принципов действия на основе банка данных по физическим эффектам;

♦различные интегральные обобщенные методики; другие подходы. В настоящее время известно более трех десятков существенно отли­

чающихся эвристических методов.

18.2. Метод эвристических приемов

Метод эвристических приемов наиболее естественный и простой в применении, поскольку многие опытные конструкторы и изобретатели сознательно или бессознательно пользуются своим набором эвристиче­ ских приемов, сформировавшимся в процессе их работы.

Эвристический прием представляет собой предписание ши ука­ зание, как преобразовать имеющееся или аналогичное техническое ре­ шение (ТР) ши в каком направлении искать, чтобы получить искомое решение. Эвристические приемы имеют свойства, характерные для эвристических методов.

Подавляющее большинство эвристических приемов состоит как бы из двух частей: первая - описание пространства переменных, отвечает на вопрос «что изменять» в рассматриваемом ТР; вторая —описание способа изменения переменных, отвечает на вопрос «как изменять». Например, пространство переменных - это «ориентация объекта (элемента) в про­ странстве», способ изменения переменных - горизонтальное положение на вертикальное или наклонное и др.

Поскольку многие приемы содержат указание на несколько про­ странств переменных или (и) на несколько способов изменения перемен­ ных, то такие приемы, можно сказать, состоят из нескольких поисковых процедур. Каждая поисковая процедура содержит указание только на одно пространство переменных, один способ их изменения или одно направле­ ние поиска и представляет собой как бы элементарный эвристический прием. Так, эвристический прием 3.1 (суть которого не рассматриваем) содержит два пространства переменных («объект» и «элемент») и пять способов изменения переменных, т.е. включает 10 поисковых процедур. По сравнению со стихийным и бессистемным методом проб и ошибок ис­ пользование наборов эвристических приемов часто обеспечивает значи­ тельно большую вероятность нахождения удачных решений.

Начинающий инженер, столкнувшись с нетривиальной задачей про­ ектирования, сначала вынужден найти и сформулировать удачный эври­ стический прием, который помогает сравнительно легко решить задачу. При рассмотрении следующей задачи инженер сначала пытается исполь­ зовать свой, ранее сформулированный эвристический прием. Если попыт­ ка оказывается безуспешной, ему снова приходится преодолевать мучи­ тельный путь поиска и формулировки нового приема. Так постепенно у многих проектантов, конструкторов и изобретателей накапливается и расширяется свой опыт - индивидуальный фонд эвристических приемов, имеющий обычно ориентацию на определенный класс задач.

Практический опыт показывает, что приемы индивидуального фон­ да, которые могут многократно давать полезные результаты в своей узко ориентированной области, часто оказываются эффективными и в других областях техники. Такое свойство инвариантности и обусловило возник­ новение метода эвристических приемов, суть и назначение которого за­ ключается в ускорении создания начинающими проектантами и изобре­ тателями своих эффективных индивидуальных фондов эвристических приемов и других вспомогательных информационных и методических средств. К последним в первую очередь относятся фонд аналогов ТР и фонд материалов и конструктивных элементов, которыми также созна­ тельно или бессознательно пользуются проектанты.

Индивидуальный фонд приемов вместе с вспомогательными информа­ ционными и методическими средствами образуют специализированный ме­

тод эвристических приемов, ориентированный на определенный класс тех­ нических систем (ТС) или технологических процессов. В такой класс могут быть объединены изделия различной сложности в зависимости от сферы дея­ тельности проектировщика. Это могут бьггь металлорежущие станки или только инструменты к ним, ЭВМ или только запоминающие устройства, сложный технологический процесс или его отдельные операции.

Специализированный метод эвристических приемов может быть разработан проектантом или конструктором для индивидуального исполь­ зования. Однако, несомненно, больший интерес представляет разработка таких методов для коллектива конструкторов или технологов отдельного предприятия, группы родственных предприятий или отрасли. Особенно полезен такой руководящий методический материал для начинающих ин­ женеров. Хотя опытным специалистам большинство эвристических прие­ мов известно, однако ценность метода для них состоит в более или менее полном систематическом охвате различных приемов, поскольку об одних трудно «вовремя вспомнить», а другие оказываются субъективно новыми (до них в данной ситуации «трудно додуматься»). Разумеется, такой руко­ водящий методический материал каждый проектант будет видоизменять, дорабатывать и адаптировать к своей личности. Разработка специализиро­ ванных методов эвристических приемов для отдельных предприятий или групп предприятий также способствует ускорению создания соответст­ вующих человеко-машинных программ и использования вычислительной техники. Краткая характеристика обобщенного межотраслевого фонда эв­ ристических приемов дана в табл. 18.1.

Разделение фонда на 15 групп и их состав определялись в основном удобствами и опытом практического применения и поэтому не претенду­ ют на логическую строгость и научную обоснованность классификации, упорядочения и полный охват всех приемов. Описание приемов, собран­ ных в межотраслевом фонде, несколько унифицировано, сокращено и редакционно сглажено (в первоисточниках многие из них имеют явную эмоциональную окраску). Поэтому во многих приемах под указанием, на­ пример, «изменить» часто подразумевается «увеличить» или «умень­ шить». Под «средой» наряду с природными факторами подразумеваются другие конструктивные элементы или технические системы по отноше­ нию к рассматриваемому объекту.