125 Кібербезпека / 4 Курс / 4.2_Основи технічної творчості та наукових досліджень / lec_5-9

Конспект лекцій „Основи технічної творчості і наукові дослідження”

-интуитивное выделение узлов и их признаков, состава вариантов. Отсутствие уверенности, что учтены все (и особенно, перспективные) узлы и варианты;

-конкретное решение является следствием анализа просматриваемых комбинаций, возникновения продуктивных ассоциаций и образов.

Надалі Ф. Цвіккі створив ще кілька методів: систематичного

покриття поля пошуку; заперечення й конструювання; екстремальних

ситуацій; зіставлення зробленого з дефектним і метод узагальнення. Але всі ці методи можуть розглядатися як доповнення до морфологічного аніліза ящика, найбільше універсальному й перспективному методу, заснованому на морфологічному підході.

Сам морфологічний аналіз випередив еру системних досліджень і став першим яскравим прикладом системного підходу в області винахідництва. На думку Ф. Цвіккі, предметом методу морфологічного ящика є проблема взагалі (технічна, наукова, соціальна і таке інше). Він допускає, що точне формулювання проблеми автоматично розкриває найбільш важливі параметри, від яких залежить її розв'язок, і кожний такий параметр може бути розбитий на ряд значень. Причому будь-яка комбінація значень параметра вважається принципово можливою. Основний принцип такого аналізу, зокрема методу морфологічного ящика, полягає в систематичному дослідженні всіх мислимих варіантів, що випливають із закономірностей будови (тобто морфології) вдосконалюваної системи.

Морфологічний метод дослідження був застосований до цілого ряду

систем: за твердженням Ф. Цвіккі, більше 70 великих промислових фірм використовують його при розв'язку різноманітних науково-технічних завдань. У результаті застосування свого методу сам Ф. Цвіккі створив серію оригінальних винаходів, у тому числі балістичні пристрої, оригінальні силові установки, вибухові речовини, спосіб комбінованої світлини і таке інше.

Литвиненко Я.В.

Конспект лекцій „Основи технічної творчості і наукові дослідження”

Сутність аналізу полягає в наступному. У вдосконалюваній технічній системі виділяють трохи характерних для неї структурних або функціональних морфологічних ознак. Кожна ознака може характеризувати, наприклад, якийсь конструктивний вузол системи, якусь її функцію, якийсь режим роботи системи, тобто параметри або характеристики системи, від яких залежить розв'язок проблеми й досягнення основної цілі».

По кожній виділеній морфологічній ознаці складають список її різних конкретних варіантів, альтернатив, технічного вираження. Ознаки з їхніми альтернативами можна розташовувати у формі таблиці, названої морфологічним ящиком, що дозволяє краще уявити собі пошукове поле. Перебираючи всілякі комбінації альтернативних варіантів виділених ознак, можна виявити нові варіанти розв'язку завдання, які при простому переборі могли бути упущені.

Метод передбачає виконання робіт у п'ять етапів:

1. Точне формулювання завдання (проблеми), що підлягає розв’язанню.

Якщо спочатку ставиться питання про одну конкретну систему, метод безпосередньо узагальнює пошук на всі можливі системи з аналогічною структурою й у підсумку дає відповідь на більш загальне питання.

Наприклад, необхідно вивчити морфологічний характер усіх видів транспортних засобів і запропонувати нову ефективну конструкцію пристрою для транспортування по снігові — снігохід.

2. Складання списку всіх морфологічних ознак, тобто всіх важливих характеристик об'єкта, його параметрів, від яких залежить розв'язок проблеми й досягнення основної мети.

Точне формулювання завдання й визначення класу досліджуваних систем (пристроїв) дозволить розкрити основні ознаки або параметри, що полегшують пошук нових розв'язків. Стосовно до транспортного засобу

Литвиненко Я.В.

Конспект лекцій „Основи технічної творчості і наукові дослідження”

(снігоходу) морфологічними ознаки можуть бути: А – двигун, Б – рушій, В – опора кабіни, Г – керування, Д – забезпечення заднього ходу і таке інше.

3. Розкриття можливих варіантів по кожній морфологічній ознаці (характеристиці) шляхом складання матриці.

Кожна з N характеристик (параметрів, морфологічних ознак) має певне число ki - різних варіантів, незалежних властивостей, форм конкретного вираження. Наприклад, для снігоходу варіанти: A1 – двигун внутрішнього згоряння, – газова турбіна, – електродвигун, – реактивний двигун і т.д.; – повітряний гвинт, – гусениці, – лижі, – снігомет, – шнеки і т.д.; – опора кабіни на сніг, – на двигун, – на рушій і т.д. Комбінація одного з можливих варіантів морфологічної ознаки з іншими від кожної ознаки дає один з можливих технічних розв'язків.

Структура технічної системи може бути виражена морфологічними ознаками (наприклад, у наведеному вище прикладі – формулою АБВГД...), але комбінація їх конкретних варіантів (наприклад, ) — лише один конкретний з безлічі технічних розв'язків, що випливає із закономірностей будови системи.

Сукупність усіх можливих варіантів, кожного з перерахованих морфологічних ознак, виражена у вигляді матриці, дає можливість визначити повне число розв'язків у цьому випадку

n

N= ∏ki

i=1

Якщо в наведеному вище прикладі обмежитися тільки названими морфологічними ознаками, то число можливих варіантів розв'язків буде визначатися в такий спосіб:

N = 4 5 3 ....

Якщо побудувати n -мірний простір (де n - кількість морфологічних ознак) і на кожній з осей, що належить одній з ознак, відкласти всі можливі його варіанти, то одержимо «морфологічний ящик» (назва вдала для

Литвиненко Я.В.

Конспект лекцій „Основи технічної творчості і наукові дослідження”

тривимірного простору, тобто для трьох ознак). У кожній крапці його, що характеризується конкретними координатами, перебуває один можливий технічний розв'язок.

Дуже важливо, щоб аж до даного моменту не ставилося питання про практичну здійсненність й цінність того або іншого варіанта розв'язку. Така передчасна оцінка завжди наносить шкоду безсторонньому застосуванню морфологічного методу. Однак відразу після одержання всіх можливих розв'язків можна зіставити їх з будь-якою системою прийнятих критеріїв.

4. Визначення функціональної цінності всіх отриманих варіантів розв'язків.

Це найбільш відповідальний етап методу. Щоб не заплутатися в величезному числі розв'язків і деталей, оцінка їх характеристик повинна проводитися на універсальній і, по можливості, простій основі, хоча це не завжди легке завдання.

Повинні бути розглянуті всі варіантів розв'язків, що випливають зі структури морфологічної таблиці, і проведено їхнє порівняння по одному або декільком найбільш важливим для даної технічної системи показникам.

5. Вибір найбільш раціональних конкретних розв'язків.

Знаходження оптимального варіанта може здійснюватися по кращому значенню найбільш важливого показника технічної системи.

Морфологічний аналіз створює основу для системного мислення в категоріях основних структурних ознак, принципів і параметрів, що й забезпечує високу ефективність його застосування. Він є впорядкованим способом дослідження, що дозволяють добитися систематичного огляду всіх можливих рішень даної великомасштабної проблеми. Метод будує мислення деяким чином, що генерується нова інформація, що стосується тих комбінацій, які при безсистемній діяльності уяви вислизають від уваги.

Хоча морфологічному способу мислення внутрішньо властиве переконання, що всі розв'язки можуть бути реалізовані, при цьому, природно,

Литвиненко Я.В.

Конспект лекцій „Основи технічної творчості і наукові дослідження”

багато хто з них виявляються порівняно тривіальними. Труднощі застосування морфологічного аналізу полягає в тому, що дотепер не існує якого-небудь дійсно практичного й універсального методу оцінки ефективності того або іншого варіанта розв'язку. Якби він був знайдений, то можна було б, виходячи тільки з теоретичних міркувань, вибирати оптимальну комбінацію елементів для кожного проектованого пристрою. Таким чином, процес винаходу був би замінений безпосереднім аналізом альтернативних варіантів, що по силам і ЕОМ. Найчастіше, звичайно, виявляється, що робочі характеристики пристрою, в основу побудови якого покладена невідома раніше комбінація елементів, є більш - менш невизначеними.

Найбільше доцільно використовувати морфологічний аналіз при розв'язку конструкторських завдань загального плану: при проектуванню машин і пошуку компонувальних або схемних розв'язків. Наприклад, потрібно запропонувати новий тип індивідуального транспорту в умовах міста, вибрати раціональну конструкцію підводного (донного) транспорту і т.д. Метод може застосовуватися для виконання простих винаходів, а також при прогнозуванню розвитку технічних систем, при визначенні можливості патентування в тому або іншому абстрактному виді комбінацій основних параметрів з метою «заблокувати» майбутні винаходи.

Суть методу найкраще пояснити на простому й наглядному конкретному прикладі, що приводився самим Ф. Цвіккі. Він детально розглянув повний спектр усіх можливих видів реактивних двигунів (за станом на 1951 р.), що працюють на хімічному паливі в однорідному середовищі (вакуум, повітря, вода, земля). Аналіз був проведений у такій послідовності.

1. Точно сформулювати завдання: потрібна нова ефективна конструкція реактивних двигунів.

Литвиненко Я.В.

Конспект лекцій „Основи технічної творчості і наукові дослідження”

2. Скласти список усіх морфологічних ознак технічної системи,

Було обрано всього 11 ознак. На жаль, не існує та й не може бути надійного способу перевірки повноти такого списку, про що свідчить приклад самого Ф. Цвіккі. Він не врахував, наприклад, ознаки швидкості згоряння палива: у дозвуковому режимі витікання струменя або в надзвуковому. А тим часом втіленням надзвукових швидкостей згоряння є прямоточний повітряно-реактивний двигун, який у цей час розглядається, як однин з найбільш перспективних розв'язків.

3. Розкриття можливих варіантів по кожній морфологічній ознаці й

Литвиненко Я.В.

–Власний або сторонній хімічний агент.

–Створення тяги за рахунок внутрішніх або зовнішніх джерел.

–Регулювання тяги за рахунок власних або сторонніх джерел або відсутність регулювання.

–Внутрішнє або зовнішнє регулювання тяги.

–Позитивні й негативні двигуни.

–Спосіб перетворення хімічної енергії в механічну.

–Здатність двигуна працювати в безповітряному просторі, у повітрі, у воді й у землі.

–Двигуни з поступальним, обертальним, коливальним рухом або

без руху частин.

–Двигуни на газовому, рідкому, твердому паливах.

–Двигуни безперервної й перериваної дії.

–Самозаймисті й не самозаймисті види палива

Рис. 7.1 Морфологічна матриця реактивних двигунів на хімічному паливі.

При складанні списку альтернатив потрібно сміливіше вводити

Конспект лекцій „Основи технічної творчості і наукові дослідження”

набагато розширює можливості методу, підвищує його евристичну цінність і сприяє збільшенню числа принципово нових, оригінальних розв'язків.

Заключна отримана морфологічна матриця має вигляд, представлений на мал. 6.

4. Визначення функціональної цінності всіх можливих варіантів розв'язків.

Необхідно виписати й оцінити можливі варіанти розв'язків, виражені наприклад, формулами: ;

; … і т.д.

Простий перебір приводить до величезного числа таких варіантів. Число умовних реактивних двигунів у нашому прикладі рівне:

Литвиненко Я.В.

Конспект лекцій „Основи технічної творчості і наукові дослідження”

Таблиця 7.1 Морфологічна матриця варіантів конструкції електродвигуна

Конспект лекцій „Основи технічної творчості і наукові дослідження”

Примітка: ПМ – з постійним магнітом; ЕМ – з електромагнітом. Безумовно, деякі із цих варіантів свідомо виявляються суперечливими.

І наявні внутрішні обмеження знижують первісну цифру до 25344. Навіть якщо відкинути ознаку роботи двигунів у різних середовищах, їх залишається приблизно 10000. Перша оцінка, зроблена Ф. Цвіккі в 1943 році на основі меншого числа параметрів, дала тільки 576 можливих варіантів, у числі яких, однак, були правильно враховані тоді ще секретні німецькі літакснаряд «ФАУ-1» і ракета «ФАУ-2» з імпульсними двигунами.

5. Вибір найбільш перспективних розв'язків.

У наведеній на мал. 6 морфологічній матриці комбінація обведених кружками варіантів ознак ставиться до міжпланетного прямоточному повітряно-реактивному двигуну (ПВРД). Цвіккі відзначає, що особливий інтерес представляє наявність у лею варіанта , що показує, що хімічна енергія повністю вивітрилась з навколишнього середовища й що ракетний двигун не має потреби в запасах палива на борті.

Ще один більш простий приклад ілюструє застосування морфологічного методу до дослідження можливих варіантів конструкції електродвигуна.

Аналіз показує, що ротор електродвигуна може бути пасивним і немагнітним, пасивним постійним магнітом або ж електромагнітом. В останньому випадку він може харчуватися постійним або змінним струмом, бути однополюсним або багатополюсним. Точно такі ж варіанти можливі й для статора. Є б різних варіантів для ротора й стільки ж для статора, а для електродвигуна - 36 (табл. 4). Однак якщо розглядати кожний з них, то виявиться, що тільки 12 варіантів розв'язку (комбінацій) дозволяють одержати відмінний від нуля крутний момент.

Однієї з найцікавіших позицій у табл. 4 є «уніполярний» електродвигун змінного струму (такий варіант знайдений тільки в результаті використання

Литвиненко Я.В.