1.6.2 Формулировка задачи
Определить задачу – это значит почти решить ее. Инженер, решающий задачу, должен вникнуть в суть существующих решений для того, чтобы понять истинную природу задачи. Это требует знания основных характеристик задачи, настойчивости и, вероятно, большего времени, чем мы склонны уделять этой важной фазе решения.
За определением задачи следуют поиски возможных решений. Эта фаза решения задачи требует наведения справок, поисков, исследований и другой деятельности, чтобы сформулировать решения имеющейся задачи, стоящие внимания.
Третий этап в методике решения инженерных задач – процесс принятия решения. Большинство найденных решений неодинаково, и их нужно оценить для определения предпочтительного решения. Это происходит в процессе отбора, основанного на известных критериях, в результате которого находят предпочтительное решение.
Предпочтительна следующая последовательность в решении типовой инженерной задачи:
формулирование задачи;
анализ задачи: определяются все детали задач, производятся необходимые исследования для получения информации о специфических особенностях задачи;
поиски возможных решений – некоторые решения инженер приобретает сам, другие познает, знакомясь с литературой;
принятие решения – оценка возможных решений, сравнение и нахождение наилучшего;
уточнение решения, в результате чего дается полное описание решения со всеми его характеристиками.
Описанный процесс называется процессом проектирования.
Формулирование задачи. Процесс проектирования начинается с определения задачи в общих чертах, а уже затем следует уточнение деталей. Это делается для того, чтобы предостеречь инженеров от внимания к деталям до ознакомления со всей задачей в целом.
На этом этапе инженер применяет свои знания, квалификацию и интуицию при создании приборов устройств и технологических процессов. Что бы инженер не создавал, будь это ядерный реактор, искусственный спутник, плотина, техническая машина, завод по обработке пищевых продуктов или механическое приспособление, – все это он создает последовательно, проходя основные стадии процесса проектирования.
Первое, что нужно сделать при формулировании задачи – это определить ее в общих чертах и решить, стоит ли ею вообще заниматься.
Общая тенденция при решении задачи – сразу же начать обдумывать возможные улучшения существующего решения (если оно, конечно, есть). Инженер, начинающий решать конкретную задачу, сразу же начнет интересоваться различным оборудованием, новыми приспособлениями на отдельных этапах производства, лучшими способами проведения того или иного процесса и др. Но это как раз то, чего не нужно делать при знакомстве с задачей, так как такой подход только усложнит процесс нахождения решения. Однако эта деятельность принесет большую пользу на дальнейших этапах. Поступая описанным образом, инженер отрабатывает решение задачи, которую ему не удалось определить. Такая практика едва ли приемлема для нахождения эффективного решения задачи. Кроме того, не определив задачу, инженер может искать решение вовсе не той задачи или же его решение будет плохим.
Инженер должен стараться сделать свою формулировку настолько общей, насколько позволяет важность задачи. Нарушение этого правила может быть причиной того, что целая область выгодных решений будет исключена из рассмотрения. Широкий подход к задаче гораздо чаще позволяет достичь оптимального решения. Отличительной чертой настоящего инженера является выбор решения, основанного на широком рассмотрении проблемы и умении настоять на принятом решении, если оно отвечает интересам заказчика.
Ловушки в начале процесса проектирования. Нечасто инженеру приходится задумываться о ловушках на его пути. Он должен определить, что действительно представляет собой задача. Сделать это часто бывает трудно, так как существо задачи скрыто за большим количеством не относящейся к делу информации, применяемыми решениями, сбивающими с толку, бесполезными мнениями. Этому не способствует и то, что в вузах перед студентами ставят задачи в нереально чистом виде, и студенты не привыкают и не имеют опыта распознавания задач. Одну из ловушек называют фиктивной задачей, т.е. задачей, в решении которой нет нужды. Инженер, проектирующий производственную операцию, которая может быть полностью исключена, решает фиктивную задачу. Другая распространенная ловушка возникает из-за тенденции путать задачу с решением. Общепринятое решение задачи – это не сама задача. Отход от традиционного узкого рассмотрения задачи часто неожиданно приводит к значительному улучшению решения.
Анализ задачи. Прежде, чем решать задачу, инженер должен располагать надежной информацией об ожидаемых вариациях входа и выхода. Чтобы удовлетворительно решить поставленную задачу, необходимо знать значительно больше о входе и выходе. Сбор этой информации – главное в анализе задачи. На этом этапе проектирования определяются все относящиеся к делу качественные и количественные характеристики состояний входа и выхода.
Только несколько характеристик входа и выхода могут оставаться неизменными при работе проектируемого устройства в течение долгого времени. Существуют средние показатели работы отдельных машин, узлов процесса (скорость, мощность двигателя и т.п.) – выходные данные, которые изменяются и являются динамическими характеристиками.
Определение ограничений. Другая важная функция анализа задачи состоит в определении ограничений решения. Если вход и выход определены, то это автоматически определяет неизбежную характеристику всех приемлемых решений. Этот тип ограничений обычно может быть выделен дедуктивно. Существует и другой тип ограничений – установленные ограничения. Инженер обычно изучает ограничения такого типа через контакты с исполнителями, потребителями, заказчиками и пр.
Некоторые налагаемые ограничения не могут быть приняты во внимание. Наивно полагать, что все налагаемые ограничения, приводящие якобы к оптимальному решению, должны быть приняты беспрекословно. Большинство решений, принятых администрацией, инженерами и другими специалистами, только приближается к оптимальным. Невозможность прийти к оптимальному решению объясняется такими факторами, как элемент случайности в нахождении решения, сравнительно короткие сроки, отводимые на принятие решения, влияние готовых решений, сложности и последствия, которые невозможно предвидеть, выделена ли задача в самостоятельную проблему и тот факт, что многие решения являются совсем необъективными, нерациональными, небеспристрастными. Недопустимо также, чтобы инженер считал все решения, принятые до него, ограничениями. Многие новшества обязаны своим существованием инженеру, который не принял автоматически все ограничения как установленные однажды и навеки.
Ложные ограничения. Рассмотрим простую задачу, в которой требуется соединить девять точек четырьмя прямыми линиями, не отрывая карандаша от бумаги.
Некоторые не могут решить эту задачу, а другим требуется довольно много времени на ее решение. А все потому, что они неоправданно и, вероятно, не подозревая об этом, исключают возможность существования линий вне квадрата, образованного точками. Они считают, что проводить линии вне квадрата запрещено, хотя о таком ограничении не упоминалось в условии. Это неоправданное и нежелательное исключение равноправных решений является ложным ограничением. В большинстве случаев ложное ограничение выражено неявно. Оно возникает автоматически.
Большинство людей поразительно легко поддаются ложным ограничениям. Из-за этой склонности и потому, что ложные ограничения влекут за собой и недостойные внимания решения, вполне оправданы особые усилия для устранения таких ограничений. Наиболее эффективный способ избежать их – это, по-видимому, тщательные формулировка и анализ задачи.
Определение критериев. Критерий или критерии, которыми будут пользоваться при нахождении наилучшего решения, должны быть определены в процессе анализа задачи. Предположим, что отличительной чертой нового ружья должно быть его высокое качество. Так как качеству ружья уделяется особое внимание, разработчик подбирает другие материалы, механизмы, и пр., чем при разработке обычного ружья. Главный критерий оказывает воздействие на разработчика при выборе решения, поэтому критерий должен быть известен прежде, чем начались поиски решения.
Очень важно как можно точнее определить применение решения еще в процессе анализа задачи, так как знание этого помогает инженеру направить поиски решения в наиболее выгодную область. Эта информация также необходима инженеру для принятия разумного решения о времени, требуемом ему для проектирования.
Если реку нужно пересекать только изредка в данном месте, то решение задачи – мост, по-видимому, не обеспечивает минимальную стоимость (проект плюс строительство плюс стоимость переправы). С другой стороны, если миллионам людей необходимо в данном месте пересекать реку в течение определенного времени, лодка также не окажется предпочтительным решением, хотя она и удовлетворяет критерию минимальной стоимости. Количество переходов из одного состояния в другое состояние здесь становится главным независимо от общей стоимости.