Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы научных исследований в научно-технической сфере. Учебно-методическое пособие.pdf
2.4.9. Алгоритм решения изобретательских задач
Метод алгоритма решения изобретательских задач (АРИЗ)
подразделяется на шесть стадий, выполняемых в определенном
порядке. Каждая из стадий содержит ряд последовательных шагов, выполнение которых регламентировано конкретными вопросами и рекомендациями. Это позволяет сочетать логику и
интуицию в процессе решения задачи.
Первая стадия - выбор задачи - содержит формулировку
цели и выбор задачи, подлежащей решению (первоначальной
или обратной), которые осуществляются на основе исследования данной и ведущей отраслевой техники. Уточняются основные показатели искомого технического решения, требования,
предъявляемые к нему с учетом масштабов применения.
Вторая стадия - уточнение условий задачи. Изучаются
известные технические решения. Проводится серия мысленных
экспериментов по преодолению привычных представлений об
объекте. На этой стадии необходим анализ задачи как системы
элементов. В ходе анализа выявляется, какие элементы поддаются изменениям, над какими элементами можно поработать.
Третья стадия - анализ задачи. Определяется идеальный
конечный результат творческого процесса при решении технических задач, при этом делаются следующие допущения:
- возможно ли достичь идеального результата при реали-
зации цели;
- возможные пути достижения цели независимы от по-
ставленных условий.
Такой подход обеспечивает свободу полета фантазии в
поиске новых технических решений.
Четвертая стадия - предварительная оценка найденной
идеи. Выявляются положительные качества, способствующие
достижению цели, а также выделяются отрицательные качества,
не дающие возможность достижения цели. На этой стадии производится исключение или уменьшение влияния отрицательных
качеств за счет видоизменения предполагаемого способа или
конструкции.
Пятая стадия - оперативная. Поиск идеи решения задачи
производится с помощью таблицы устранения технических про-
71
тиворечий. На этой стадии применяется один из эвристических
приемов. Работа объекта рассматривается в граничных условиях, используются аналогии из природы и других областей знания. Объект разбивается при рассмотрении на надсистемы и
подсистемы.
Шестая стадия - синтез. Осуществляется проверка возможностей изменения в надсистеме в связи с применением полученного решения. Определяются возможности нового применения.
2.4.10. Метод эвристических приемов
Наиболее простым в применении является метод эвристических приемов. Рассмотрим основы этого метода. Эвристический прием представляет собой предписание или указание, как
преобразовать имеющееся или аналогичное техническое решение, или в каком направлении искать, чтобы получить искомое
решение.
Подавляющее большинство эвристических приемов состоит из двух частей: первая - описание пространства переменных и ответ на вопрос «что изменять?» в рассматриваемом техническом решении; вторая - описание способа изменения переменных и ответ на вопрос «как изменять?».
В процессе работы конструктор должен вести накопление
индивидуального фонда эвристических приемов, ориентированных на решение определенных классов задач. Индивидуальный
фонд эвристических приемов создается, как правило, для одного
класса технических систем.
Конструктор в процессе работы создает индивидуальный
фонд вспомогательной информации в зависимости от направления и рода выполняемых работ. Индивидуальный фонд вспомогательной информации включает в себя фонды: аналогов, материалов, конструктивных особенностей, конструктивных решений. Он может быть оформлен в виде карточек с рубрикацией,
поисковых картотек, записей на магнитной ленте, дисках, фотои киноинформации.
Основой формирования фондов являются информационные материалы отраслевых и межотраслевых органов научнотехнической информации. Например, специалистов двигателе-
72
строения основой фонда могут быть картотеки конструктора,
издаваемые отраслевыми и др. институтами, организациями.
При использовании метода эвристических приемов, например, при конструировании машин, выделяют показатели:
- геометрические (длина, высота, ширина и т.д.);
- физико-механические (масла, прочность, коррозионная
стойкость и т.п.);
- энергетические (вид энергии, КПД, экономичность и т.п.);
- конструкционно-технологические (технологичность,
сложность);
- надежности и долговечности, эксплуатационные (про-
изводительность, точность, стабильность, всесезонность и т.д.);
- экономические (производительность, трудозатраты, се-
бестоимость, потери);
- степени стандартизации и унификации, удобства и
безопасности, художественно-конструкторские, эргономические
(гармоничность, масштабность и т.п.).
В группу эвристических приемов рекомендуется включать: перенос в данную отрасль техники новых для нее показателей; приспособление известных форм конструкций, материалов и их
свойств; мультипликацию основных показателей объ-
ектов; дифференциацию показателей; интеграцию показателей;
инверсию показателей; динамизацию показателей; использование сходства и подобия; идеализацию показателей.
2.5. Сведения о поисковом проектировании
2.5.1. Последовательность поискового проектирования
Важной составной частью поискового проектирования с
использованием вычислительной техники, программных продуктов является создание информационных фондов: физических
эффектов; ТР рассматриваемого класса ТС с включением описаний изобретений; список требований, предъявляемых к рассматриваемому классу ТР; материалов и конструктивных элементов;
технологических процессов; эвристических приемов; ТР ведущего класса ТС; метод оценки и выбора вариантов ТР.
73
Предлагается проведение работы в семь этапов.
Предварительная постановка задачи: формулируются
функции на качественном уровне; функции на количественном
уровне; выбираются существующие ТС, в наибольшей мере
удовлетворяющие сформулированной функции; составляется
список недостатков существующих ТС, предварительная формулировка задачи, формулировка задачи без специальных терминов.
Изучение и анализ задачи: составляется дерево конструктивной эволюции рассматриваемого класса ТС; выявляются
тенденции развития рассматриваемого класса ТС; изучаются
сведения о прогнозах развития класса ТС; определяются основные факторы, решающим образом влияющие на развитие рассматриваемого класса ТС; определяются основные факторы,
влияющие на развитие ведущего класса ТС; определяются возможности усиления отдельных характеристик функции.
Ранжируются недостатки с точки зрения важности, а затем
- трудности их устранения. Выявляются причины возникновения недостатков в существующих ТС. Изучаются возможности
комбинирования целей решения задачи. Проверяется реальность
постановки задачи. Изучаются условия достижения цели. Строится иерархическая система, в которой выделяют в качестве отдельных элементов рассматриваемую ТС и другие с ней смежные технические объекты (ТО), включая другие ТС. Проверяется возможность удовлетворения потребности путем внесения
изменений в смежные объекты.
Оценивается степень актуальности поставленной задачи в
настоящее время и будущем. Составляется представление о предельном совершенном ТР рассматриваемого класса ТС.
Уточнение и детализация постановки задачи: составляется список требований к существующим ТС, наиболее удовлетворяющим сформулированной функции; составляется список
требований к разрабатываемой ТС и сравнивается с показателями ведущего класса ТС; выделяются требования, которые заведомо нельзя менять при решении задачи; путем анализа и экспертных оценок выявляются и исключаются из списка ложные и
выделяются главные требования к ТС; выделяются новые требования, которые не имели места в существующих близких ТС;
74
определяются входные и выходные параметры разрабатываемой
ТС; выявляются функциональные связи между входными и выходными параметрами, выявляются противоречия улучшения
ТС; выбираются наиболее важные для решения задачи и трудно
устранимые противоречия улучшения.
Поиск технических идей, решений и принципов действия: преобразуется в искомое ТР наиболее близкое решение
существующей ТС, лучшие образцы, предельно совершенное
ТР, используя различные физические эффекты и дополняя необходимыми элементами; преобразуются в искомое ТР прогнозируемые конструктивные решения, аналогичные ТР из ведущего
класса ТС, старые и забытые ТР; делается попытка изменить
вышестоящую по иерархии систему, устраняются причины возникновения недостатков прототипов, используется метод морфологических таблиц; формулируются новые физические принципы действия ТС и ее элементов, используется метод гирлянд
ассоциаций и метафор, комбинируются идеи.
Выбор наилучших технических решений: проверяются
полученные ТР на физическую осуществимость и выделяются
допустимые; проверяются полученные ТР на технологическую
осуществимость; оставшиеся ТР проверяют на соответствие
требованиям, классифицируют ТР, выбирают наиболее экономичные, выбирают с показателями выше уровня мировых образцов, выбирают с высокой долой унификации и стандартизации узлов и деталей, отбирают наиболее полно реализующие
цели и требования; выбирают ТР, наиболее полно устраняющие
главные противоречия улучшения ТС, требующие минимального или значительного изменения в смежных ТС, выбирается ТС
- наилучшая, прошедшая все стадии выбора.
Доработка выбранных технических решений: наилуч-
шие технические решения проверяются на соответствие требованиям; недопустимые ТР преобразуются в допустимые; улучшаются функциональные допустимые узлы, изыскивается возможность изменения в смежных ТС всего комплекса, включающего разрабатываемую ТС; определяются оптимальные значения основных параметров наилучших ТР, производится их
аранжировка. После испытания ТР в порядке аранжировки, выявления недостатков происходит их устранение.
75
Анализ технико-экономических показателей: оценивается ожидаемый эффект от использования полученных ТР, перспективность их применения и развития; определяется область
практического применения в рассматриваемой и других областях науки и техники; оценивается экономический эффект и составляются заявки на изобретение, найденные технические решения.
2.5.2. Понятие о конструировании
Конструирование и проектирование технических объектов
и систем представляет собой творческий процесс, связанный
изысканием идей, прототипов, синтезом знаний в разных областях науки и техники, умением использовать эти знания, оптимизировать решения и т.п. Результатом конструирования являются
компоновочные и рабочие чертежи, инженерная документация,
оформленная в соответствии требованиями стандартов. Конструированием занимаются специалисты разных отраслей, объединенных единым творческим процессом, который условно составляет несколько основных этапов:
1. Разработку, получение технического задания.
2. Эскизное проектирование.
3. Разработку технического проекта и макетирование.
4. Разработку рабочего проекта и детальную разработку
чертежей.
5. Изготовление опытного образца и его эксперименталь-
ное исследование.
6. Доработку опытного образца и передачу его в серийное
производство.
При техническом проектировании инженер-конструктор
учитывает следующие обязательные принципы:
1. Унификацию (многократное использование деталей для
различных изделий, их взаимозаменяемость). Унификацию различают конструктивную, технологическую, унификацию типоразмеров и марок материалов.
2. Технологичность конструкции (наибольшие трудовые
затраты при производстве, удобство эксплуатации и ремонта,
надежность в работе и удешевление материалов, изделий).
76
Конструктор должен учитывать эстетические и эргономические требования к создаваемому изделию, уметь оценить техническое и технологическое состояние, перспективы совершенствования создаваемой новой техники.
Сроки создания новых технических объектов и систем
значимо зависят от их сложности. Например, для создания новых образцов сложных технических объектов и систем уходит
10-15 лет, включая время, необходимое на экспериментальную
доводку прибора. Из-за высокой сложности современных приборов и постоянного развития приборостроения процесс доводки продолжается на протяжении всего периода серийного выпуска, вплоть до снятия его с производства.
Эффективным способом повышения качества, сокращения
сроков разработки, проектирования, доводки и подготовки серийного выпуска прибора является автоматизация процессов
проектирования отдельных частей и узлов и всего прибора в целом с помощью системы автоматизированного проектирования
(САПР) на основе широкого применения вычислительной техники и проблемно-ориентированных программных комплексов.
Это позволяет уже на стадии начальной конструкторской проработки оценивать показатели и характеристики деталей, узлов,
всей конструкции условного прибора, который представлен в
виде инженерной технической документации. Изготовление такой документации менее трудоемкое и дешевое, чем изготовление экспериментальных образцов приборов. В ряде случаев рационально построенная математическая модель является более
информативной, нежели натуральный эксперимент.
Подробно с использованием вычислительной техники,
компьютеров при поиске новых технических решений при проектировании технических объектов и систем можно ознакомиться в специальной литературе [17, 22, 24].
2.5.3. Развитие инновационного потенциала
на основе концептуального проектирования
Инновационный потенциал основан на результатах первых
двух этапов инновационного цикла, т.е. на результатах фундаментальных и прикладных исследований. Эти результаты могут
77
быть выражены в разных видах - от идеи, характеризующей саму возможность практического применения, до опытных образцов, обеспеченных чертежно-технической документацией, технологией производства, испытанных и апробированных на производстве.
Апробированный результат научно-исследовательской работы (НИР) и научно-исследовательской опытно-конструкторской работы (НИОКР) является предпочтительным для применения на предприятиях, так как дает возможности развития
предприятия при определенных рисках. Первый вид испытанных научных результатов (идея НИР) является основой инновационного потенциала и отличается высокими рисками, которые
практически оценить очень сложно. Поэтому такие результаты
имеют развитие приоритетно на основе государственного управления, которое выступает венчурным капиталистом.
Результаты научных исследований, которые планируются
к переходу в стадию инновационной диффузии, являются основой для новой стадии исследований, которая характерна актуальностью выполнения НИР технико-технологических и инновационных исследований.
Инновационные исследования определяют пути перехода
от результатов НИР к инновационной диффузии и включают
организационно-экономические исследования, выбор предприятий и организаций для внедрения в производство новшеств,
нововведений и инноваций.
Таким образом, к особенностям инновационного развития
относятся вопросы, характерные для ранних стадий проектирования технических объектов и систем в техновещественном развитии отраслей жизнедеятельности общества. Второй составляющей инновационного развития является инновационное исследование, определенное выбором предприятия и формированием партнерских отношений его с научной организацией, университетом, т.е. с разработчиком новшества, нововведения, инновации.
В таком подходе к организации управления инновационным развитием в условиях региона обеспечивается неразрывность инновационного цикла как необходимого условия для
развития инновационной деятельности.
78
Моделирование на ранних стадиях проектирования призвано решать задачу концептуального проектирования, т.е. определять и использовать такие технико-технологические решения, которые в дальнейшем могут обеспечивать конкурентные
преимущества создаваемому техническому объекту, системе,
предприятию, отрасли и территории (региону).
Концептуальное моделирование имеет особенности, характерные для ранних стадий проектной деятельности (включая
идею) и завершая эскизным проектированием, что определяет
создание новых и перспективных технико-технологических решений, обеспечивающих инновационный потенциал конкурентными преимуществами.
Результирующими от созданной идеи могут быть: 1) проект; 2) программа; 3) направление научной и опытно-конструкторской работы. Создание на основе полученного техникотехнологического решения проекта определяет возможности
бизнес-планирования, т.е. получение обоснованного организационно-экономического плана работы. Программа включает
процесс исследований, результатом которых является комплекс
взаимоувязанных инновационных проектов. Достижение организационно-экономической эффективности по программе осуществляется поэтапно на основе согласованного выполнения
комплекса проектов. Отличительной особенностью инновационного направления является большая доля научных исследований, направленных на изыскание таких технико-технологических решений, которые могут обеспечить конкурентные преимущества предприятию в его развитии. Направление включает
программы и проекты.
Ведение проектных работ по каждому из трех направлений опирается на интеллектуальный потенциал профессионалов,
использующих методы научно-технического творчества, и требует в современных условиях поддержки на основе информационных технологий для решения неформализованных научнотехнических задач.
Концептуальное проектирование, включающее поиск
идей, отличается планированием целевых показателей, параметров, индикаторов создаваемого технического объекта или системы. С позиции инноваций при проектировании отрицатель-
79
ный результат, имеющий даже научную ценность, рассматривается как неудача. Согласно когнитивной психологии, каждый
проектировщик, конструктор имеет свою персональную когнитивную карту, которая определяет схему его видения образа
объекта проектирования и процесса его реализации, поэтому
задачей является выбор инновационного образа технического
проектирования объекта.
Процесс работы связан с наличием у разработчика некоторой мыслительной модели, которая имеет текущее состояние и
постоянно меняется в процессе познания, что и является процессом концептуального проектирования с инструментальным
использованием когнитивных моделей (лат. cognition - знание,
познание). В исследованиях технической направленности эти
модели находят применение в качестве имитационных, которые
ориентированы на прогнозирование поведения оператора при
взаимодействии его со сложными техническими системами.
Концептуальное проектирование характерно целесообразностью использования методов опосредованного познания, т.е.
моделирования. Характеризуя модели, используемые на ранних
стадиях проектирования, отметим приоритетность внимания к
особенностям построения иерархических структур моделирования, имеющих место информационных процессов, а также на
принятии решений.
Исследование задачи структурного и параметрического
синтеза в процессе проектирования на ранних стадиях с когнитивных позиций в сложных технических системах показывает
два явно выраженных этапа: 1) этап структурного синтеза и 2)
этап параметрического синтеза описании функционирования.
Этапы включают существенные звенья познавательной направленности. Когнитивное моделирование при компьютерной поддержке повышает эффективность проектирования. Задачи
структурирования, компоновки изделия и параметризации представляются наиболее перспективными с позиции когнитивного
моделирования.
Например, при создании дизеля структура изделия может
меняться несущественно и основные трудности будут связаны с
параметрическим синтезом. Обратная ситуация - при создании
продуктов питания нового поколения и примерно равнозначная
80