2.2. Морфологічний аналіз (ма)

Морфологія – це наука про будову. Будь-яке явище має свою морфологію.

Ідея морфологічного методу полягає в аналізі структури зв’язків та взаємовідношень між предметами, явищами й ідеями.

При цьому найрізноманітніші взаємовідношення виявляються спочатку без визначення їх вартості. Потім виконується аналіз та вибір ідеї, яка найбільше відповідає вирішенню поставленої задачі.

Метод МА був розроблений у 1941 р. швейцарським астрономом Ф. Цвіккі, який у той період брав участь у ракетних дослідженнях та розробках американської фірми «Аероджет інжінірінг корпорейшн». За допомогою морфологічного ящика (МЯ) Цвіккі виконав велику кількість оригінальних технічних рішень за короткий час, чим здивував керівників фірми.

Сутність МА в наступному. В удосконалюваній технічній системі виділяється кілька характерних для неї структурних, морфологічних ознак (ознак будови системи). По кожній з виділених морфологічних ознак складається список різних конкретних варіантів технічного вираження використання цих ознак.

Морфологічні ознаки з різними варіантами подаються у вигляді таблиці, щоб краще уявити собі пошукове поле.

Перебираючи різноманітні сполучення варіантів морфологічної ознаки, яка виділена, можливо виявити нові рішення задачі, які при простому переборі можуть бути пропущені.

МА виконується в такій послідовності.

1. Точно формулюється задача.

2. Складається список всіх характеристик, морфологічних ознак (осей) об’єкта (способу або пристрою).

3. За кожною характеристикою перерахувати можливі варіанти.

4. Проаналізувати виникаючі при цьому сполучення.

5. Відібрати кращі сполучення.

Застосування МА та створення МЯ зручно розглянути на прикладі.

Приклад.

1. Запропонувати нову ефективну конструкцію снігоходу.

2. Морфологічні ознаки (осі):

А – двигун; Б – рушій; В – опора кабіни; Г – керування; Д – забезпечення ходу назад і т. і.

3. Варіанти:

А₁– двигун внутрішнього згоряння; А₂– газова турбіна; А₃– електродвигун і т. д.

Б₁– повітряний гвинт; Б₂– гусениця; Б₃– лижі та вібролижі; Б₄– снігомет і т. д.

Відповідно виконуються п.п. 4, 5.

Уточнюючи, можливо деякі ознаки виділити в самостійну вісь.

Потім ознаки однієї осі комбінуються з однією ознакою іншої осі. Потім – з другою ознакою тієї ж осі і т. д.

Якщо, наприклад, виділено дві властивості (ознаки), то можливо скласти таблицю для комбінації ознак (табл. 2.2.).

Якщо властивостей три, то таблиця може бути тривимірною (рис. 2.1).

Таблиця 2.2. Комбінації двох осей

1	2	3	4	5	........
2
3
. . . .

Рис. 2.1. Тривимірна таблиця комбінацій

Якщо осей багато, то записується матриця:

перша вісь а_11, а₁₂...............................а_1k1;

друга вісь а_21,а₂₂..............................а_2k2; (2.1)

n-а вісьа_n1, a_n2...............................а_nkn.

В матриці (2.1) у кожного коефіцієнта а_іj:i– номер властивості; j – номер ознаки.

При різних комбінаціях можливе число варіантів можна виразити формулою:

. (2.2)

Один з варіантів матриці (2.1) записується, як

a₁₂ + a₂₁ + …+ a_n1. (2.3)

Судячи з формул (2.1) та (2.2), при великій кількості осей буде занадто багато варіантів. Якщо втрачається одна вісь, то зникає велика кількість варіантів. За наявності зайвих осей з’являється багато зайвих варіантів.

Для спрощення роботи спочатку розглядають головні ознаки, а потім – другорядні. При цьому ознаки повинні бути незалежні одна від одної, тобто вони не повинні розташовуватись на одній осі.

Перебір варіантів можливо автоматизувати, застосовуючи ЕОМ.

МА – це приклад системного підходу у винахідництві. Це упорядкований спосіб, який дозволяє виконати систематичний огляд всіх можливих рішень даної великомасштабної проблеми. При цьому генерується нова інформація, яка стосується таких комбінацій, які при несистематичній діяльності уявлення залишаються поза увагою. В такому разі багато рішень можуть бути тривіальними.

Найбільш доцільно застосовувати МА при вирішенні конструкторських задач загального плану: при проектуванні машин та пошуку компонувальних або схемних рішень. Метод може застосовуватись для виявлення простих винаходів, які до сього часу ніким не помічались. Він застосовується при прогнозуванні розвитку технічних систем, при виявленні можливості патентування в тому чи іншому абстрактному вигляді комбінацій основних параметрів з метою «заблокувати» можливі майбутні винаходи.

Для ілюстрації використання МА розглянемо ще кілька прикладів. У праці [8] наведене рішення такої задачі.

Потрібно удосконалити електромагнітний витратомір, конструктивна схема якого наведена на рис. 2.2. Електроди Е занурені в рідке електропровідне середовище С (розчин кислоти, лугу, солі) яке рухається у лотіку або трубі. При цьому рідина рухається в магнітному полі, створюваному магнітами М. Внаслідок цього в рідині виникає струм, а на електродах – ЕРС, яка може бути виміряна. Зі збільшенням швидкості потоку збільшується відхилення стрілки гальванометра PV.

Рис. 2.2. Конструктивна схема електромагнітного витратоміра

Знаючи швидкість потоку Vта переріз лотіка або труби, можливо контролювати кількість рідини, яка проходить за деякий час.

Отже, основні частини витратоміру – М, Е, С. Тоді структурна формула пристрою у відповідності з рис. 2.2:

МЕСЕМ.

Для симетрії формули запишемо її, як:

МЕССЕМ.

Тоді можливі такі комбінації

1. МЕССЕМ – витратомір;

2. ЕМССМЕ;

3. СМЕЕМС; (2.4)

4. МСЕЕСМ;

5. ЕСММСЕ;

6. СЕММЕС.

У варіантах 3, 6 (рис. 2.3) рідина ззовні. Приклад – море за бортом судна, тобто це – прилади для вимірювання швидкості судна. Недоліком варіанту 6 є розташування електродів ззовні від електромагнітного поля, а найсильніше поле буде всередині електромагніту. У варіанті 3 електроди в середині, тому схема в десятки разів чутливіша від варіанту 6. Крім того, варіант 3 краще охолоджується, ніж 6. У варіанті 4 переміщенням електродів по ширині потоку можливо вимірювати швидкість руху рідини в різних точках. Те ж саме можна сказати і про прилад 5, але в цьому разі вимірювання буде без завихрень у потоці рідини. Крім того, варіант 5 точніше й краще пристосований для роботи в агресивному середовищі (агресивна рідина). Варіант 3 – це витратомір, у якому показання не залежать від матеріалу труби.

В тій же праці [8] наведено ще таку задачу.

Потрібно удосконалити конструкцію магнітного фільтру (рис. 2.4).

Конструкцію фільтру можна записати формулою

МПВВПМ,

де М – магніт; П – феромагнітний порошок; В – виріб, тобто та речовина, яка проходить через фільтр.

Рис. 2.3. Конструктивні варіанти за формулами (2.4)	Рис. 2.4. Магнітний фільтр

Можливі такі варіанти конструкцій:

1. МПВВПМ;

2. ПМВВМП;

3. ВМППМВ;

4. МВППВМ;

5. ПВММВП;

6. ВПММПВ.

У варіанті 5 магніт оточується порошком, через який може проходити газ. При великому магнітному потоці це може бути магнітним краном для рідин, газів та інших речовин.

Речовини можуть бути газоподібні, рідинні, тверді, порошкоподібні, еластичні. Вихідною конструкцією є фільтр, а інші конструкції можуть бути іншого призначення.

Таблиця 2.3. Варіант конструкцій та стану речовин

Стан виробу	Схема конструкції
	МПВВПМ	ПМВВМП	ВМППМВ	МВППВМ	ПВММВП	ВПММПВ
Газ	1	2	3	4	5	6
Рідина	7	8	9	10	11	12
Тверде тіло	13	14	15	16	17	18
Порошок	19	20	21	22	23	24
Еластична речовина	25	26	27	28	29	30

Отже, за табл. 2.3: 19 – магнітний фільтр. Варіанти 1, 7, 19 можуть бути магнітними кранами. Варіант 13 – через феромагнітний порошок проходить «струм» твердої речовини, наприклад, дріт, протягання (волочіння) через філь’єри, які у звичайних умовах швидко зношуються. Таким чином, пристрій 13 – для безфіль’єрного виготовлення дроту; 28 – коли через магнітне поле з порошком проходить еластична речовина, може бути пристроєм для шліфування; 10 – може бути пристроєм та способом розпорошення полімерного розплаву, який вміщує феромагнітний порошок.

Крім переставляння окремих частин при нерухомому полі та різних станів речовини, можливе застосування обертового поля відносно виробу, або обертового виробу відносно поля. В такому разі буде не 30, а 30 × 2 = 60 варіантів.

У праці [19] наведено такий приклад.

Припустимо, що необхідно зконструювати розсувальну стінку. В МЯ в якості осей використовуються основні параметри стінки, й на них варіюються можливі варіанти цих параметрів.

Вісь 1. Матеріал стінки: дерево, пластик, плівка, папір, метал, струмені води, картон, плексиглас, скловолокно, очерет, солома, бамбук, килим і т. і.

Вісь 2. Рушійна сила:людина, електромотор, пружина, гиря, вітер, стиснене повітря, магніт і т. і.

Вісь 3. Керування стінкою: ручне, ножне, голосове, кнопкове, програмним механізмом, фотоелементом, годинником, радіопередавачем і т. і.

Вісь 4.Куди прибирається стінка:уверх, вниз, праворуч, ліворуч, до середини, просто зникає і т. і.

Вісь 5. Як прибирається стінка: згортається, заходить у стіну, під підлогу. на стелю, складається і т. і.

Вісь 6. Проникність стінки:звукопроникна – звуконепроникна, вологопроникна – вологонепроникна, світлопроникна – світлонепроникна, повітряпроникна – повітрянепроникна і т. д.

Це – 6-вимірний МЯ. За всіма осями може бути

1378658 = 174720 варіантів.

Один з кращих варіантів для металургії – розсувна стінка з плоского струменя безперервно падаючої води, яка керується голосовими командами. Вона може бути доповнена блоком для керування температурою та ароматом падаючої води.