Алгоритм розв¢язування винахідницьких задач

Якщо в США та Англії у п'ятдесятих-шістдесятих роках продовжували з'являтися та вдосконалюватися в основному ірраціональні методи пошуку нових технічних ідей та рішень, то в СРСР і деяких інших країнах Європи, наприклад в НДР і ФРН, більша увага приділялася раціональним методам і прийомам пошуку. У Радянському Союзі в цей час набула широкого поширення методика рішення винахідницьких задач, розроблена письменником-фантастом і винахідником М.Альтшуллером. Основні принципи цієї методики вперше були викладені в 1959 році (Альтшуллер М., Шапіро Р. Вигнання шестикрилого серафима // Изобретатель и рационализатор.-1959.-№10). Автор назвав методику - алгоритмом розв¢язування винахідницьких задач (АРВЗ). По суті це методика програмного пошуку технічних рішень.

Слово “алгоритм" походить від латинського "algorithmi", яке в Європу прийшло з арабської мови й утворене від імені узбецького математика IX століття Аль-Хорезмі (дослівно - з Хорезму, або Хорезмський). Алгоритм - це система правил для рішення певного класу задач. Слово алгоритм використовується тут не в строго математичному, а в широкому розумінні як комплекс послідовно виконуваних дій, кроків, етапів, спрямованих на розв’язання винахідницьких задач.

Методика базується на вченні про суперечності (протиріччя). Процес розв’язання розглядається тут як послідовність операцій стосовно виявлення, уточнення та подолання технічних суперечностей. Поняття про технічну суперечність базується на тому, що всяка технічна система, машина чи процес характеризується комплексом взаємопов’язаних параметрів: вага, потужність, міцність, швидкість тощо. Спроби поліпшити один з параметрів під час розв’язання задачі відомими способами неминуче призводять до погіршення іншого (их) параметру (ів). Так підвищення міцності суперечить з підвищенням ваги, збільшення продуктивності - з недопустимим погіршенням якості, а підвищення точності з недопустимим збільшенням витрат тощо.

Послідовність, спрямованість та активізація мислення досягається під час розв’язання задачі орієнтуванням на ідеальний кінцевий результат (ІКР), тобто на ідеальне технічне рішення, спосіб, пристрій.

Ідеальне – це найкраще з усіх мислимих та немислимих розв’язань даної задачі. Ідеальна машина – це коли її нема, а потрібна робота виконується. Ідеальний спосіб - це коли витрат енергії та часу нема, а потрібна дія виконується, причому саморегульовано. Ідеальна речовина – це коли самої речовини нема, а її функція виконується. Згідно АРВЗ ідеальний кінцевий результат формулюють, не задумуючись як він може бути досягнутий.

Завдання АРВЗ полягає в тому, щоб шляхом порівняння ідеального та реального виявити технічні суперечності або їх причину – фізичні суперечності - та усунути їх, перебравши відносно невелику кількість рішень.

Був час, коли вміння ділити та множити чотиризначні, а тим більше п¢ятизначні числа шанувалося як акт високої творчості. Навчитися цьому можна було тільки в декількох університетах Європи. Люди користувалися римськими цифрами, і вміння маніпулювати великими числами відносилося до області мистецтва. Після розповсюдження арабських цифр і розробки алгоритмів множення та ділення ця область діяльності навіть у школярів стала рутинною. Таким чином, творчу діяльність, пов'язану з пошуком добутку або частки, раціоналізували за допомогою алгоритмів.

Привабливо було б розробити такі алгоритми і для пошуку нових технічних рішень. АРВЗ був і є однією з таких спроб.

Алгоритм розв¢язування винахідницьких задач не відноситься до числа обчислювальних, але має з ними деякі однакові якості - його розчленовано на окремі елементарні частини (кроки). Певною мірою АРВЗ, як і обчислювальні алгоритми, може бути застосованим до різних задач.

Головна відмінність АРВЗ від обчислювальних алгоритмів полягає в тому, що тут не отримують однозначний результат за певних початкових даних. Крім того, на відміну від обчислювальних алгоритмів АРВЗ охоплює також евристичні прийоми та правила. Тому правильно було б називати АРВЗ алгоритмоподібною методикою пошуку нових технічних рішень.

Для того, щоб зрозуміти, про що йдеться, спробуйте усно, не користуючись олівцем і папером, помножити 85 на 49. Перемножуючи числа за відомомим зі шкільних часів алгоритмом, необхідно здійснити подумки наступні операції:

1. Запам'ятати початкові дані: 85х49.

2. Утримуючи їх в пам'яті, зробити перемноження 5х9=45.

3. Запам'ятати нові початкові дані.

4. Утримуючи в пам'яті ці дані, зробити перемноження 8х9=72.

5. Утримуючи в пам'яті 85х49, скласти.

+
45

72

6. Запам'ятати нові дані.

І далі (використовуючи скорочену форму запису) в голові повинні утримуватися наступні цифри і здійснюватися операції з ними:

7. 85х49; 765; 5х4=20;

8. 85х49; 765; 20;

9. 85х49; 765; 20; 8х4=32;

10.

+
85х49; 765; 20

32

11.

+
765

340

Завантаження пам'яті, таким чином, на четвертому і сьомому кроках досягає шести чисел, на дев'ятому - семи, а це вже знаходиться за межами можливостей більшості людей. Однак, іноді ми буваємо свідками того, як люди, котрі не мають особливих розумових здібностей, легко розв¢язують такі задачі. Зокрема, цифри 85 і 49 набагато легше перемножити подумки, якщо врахувати, що результат може бути отриманий наступним шляхом:

85х49=85х7х7 або

85х49=(85х100): 2-85.

Отже, людина, що успішно розв¢язує подумки задачі на перемноження двозначних чисел, переходить від використання єдиного та однозначного алгоритму до застосування групи інших алгоритмів, вибір яких залежить, зокрема, від початкових даних. Деякі дослідники в таких випадках скажуть: він використовує евристику.

У сучасній літературі немає єдиного поняття евристики. Не вдаючись в тонкощі дискусії про це, потрібно відзначити головне. Евристичні прийоми і правила “нестрогі" на відміну від правил обчислювальних алгоритмів. Вони скорочують число варіантів перебору (або кроків пошуку), але й не гарантують успішного розв¢язання задачі, здатні повести «вбік».

АРВЗ – яскравий приклад застосування системного підходу до пошуку технічних рішень. Удосконалюваний технічний об’єкт розглядається як цілісна система, яка складається з підсистем, тобто взаємопов’язаних елементів та одночасно є частиною надсистеми, яка складається із взаємопов’язаних систем. Перед розв’язанням прямої задачі, пов’язаної з технічним об’єктом, виконують пошук задач в надсистемі (так звані обхідні задачі), які дозволяють вибрати найбільш прийнятний шлях.

Існує певна стратегія розв’язування винахідницьких задач за методикою АРВЗ. Вона передбачає формулювання вихідної (початкової) задачі у загальному вигляді та обробку й уточнення її з урахуванням наявних технічних рішень у даній та інших областях, врахування шляху розв’язання задачі у надсистемі (обхідної задачі), впливу психологічної інерції тощо. Оброблена таким чином задача повинна бути доведена до виявлення визначальних елементів технічної системи та небажаного ефекту, створюваного одним з елементів.

Далі за певною схемою формулюють ІКР, який використовується як орієнтир, в напрямі якого потрібно вести пошук рішення задачі. Шляхом порівняння ідеального з реальним технічним об’єктом виявляється технічна суперечність, а після цього її причина, тобто фізична суперечність. Далі використовують прийоми подолання суперечностей і шукають розв’язання задачі по можливості ближче до ІКР та оцінюють його.

АРВЗ як методика пошуку технічних рішень складається з декількох частин (стадій). Ця методика весь час розвивається та удосконалюється. Так число стадій вже зросло від 3 до 9. Кожна стадія у свою чергу ділиться на кроки, а кроки – на дії. Наведемо частини, кроки та дії АРВЗ – 85.

Частина 1. Аналіз задачі

Основна мета першої частини АРВЗ полягає у переході від розмитої винахідницької ситуації до чітко побудованої та максимально простої схеми (моделі) задачі.

1.1.Визначити конкретну мету розв’язання задачі.

1.1.1. Яку характеристику об’єкта треба змінити?

1.1.2. Які характеристики об’єкта не можна змінювати під час розв’язання задачі?

1.1.3. Які витрати знизяться, якщо задача буде розв’язана?

1.1.4. Які (приблизно) будуть затрати?

1.1.5. Який основний техніко-економічний показник треба поліпшити?

1.2. Перевірити обхідні шляхи, припустивши що задача принципово нерозв’язна. Тут слід встановити яку іншу задачу треба розв’язати, щоб отримати потрібний кінцевий результат?

1.2.1. Переформулювати задачу, перейшовши на рівень надсистеми, у яку входить дана система.

1.2.2. Переформулювати задачу, перейшовши на рівень підсистем, які входять в даній задачі у надсистему.

1.2.3. На трьох рівнях (надсистема, система, підсистема) переформулювати задачу, замінивши потрібну властивість (дію) на обернену.

1.3. Визначити, розв’язання якої задачі доцільніше – початкової чи одної з обхідних. Здійснити вибір.

1.4. Встановити потрібні кількісні показники.

1.5. Уточнти вимоги, зумовлені конкретними умовами, в яких передбачається реалізація винаходу.

1.6. Перевірити чи розв’язується задача шляхом прямого застосування стандартів на розв’язання винахідницьких задач. Якщо так, то перейти до п. 5.1, якщо ні, то до п. 1.7.

1.7. Уточнити задачу, використовуючи патентну інформацію.

1.8. Застосувати оператор РЧВ (розміри, час, вартість).

Частина 2. Аналіз моделі задачі

Метою другої частини АРВЗ є врахування всіх наявних ресурсів, які можна використати під час розв’язання задачі: ресурси простору, часу, речовин і полів.

2.1. Записати умову задачі, не використовуючи спеціальних термінів.

Приклад. Шліфувальний круг погано обробляє виріб складної форми з западинами та опуклостями, наприклад, ложки. Замінювати шліфування іншим видом обробки невигідно та складно. Застосування притирних кругів дороге, а еластичних надуваних кругів з абразивною поверхнею – не вигідне через швидке зношування їх. Як бути?

2.2. Виділити і записати конфліктуючу пару елементів. Якщо за умовами задачі дано тільки один елемент – перейти до п.4.2.

Приклад. Виріб – ложка. Інструмент, що безпосередньо взаємодіє з виробом – шліфувальний круг.

2.3. Записати дві властивості (дії, взаємодії) елементів конфліктуючої пари: наявне і те, яке потрібно усунути, корисне та шкідливе.

Приклад. 1. Круг має властивість шліфувати. 2. Круг не має властивості пристосовуватися до криволінійної поверхні.

2.4. Записати стандартне формулювання задачі , вказавши конфліктну пару та технічну суперечність.

Приклад. Дано круг і виріб. Круг має здатність шліфувати але не пристосовується до криволінійної поверхні виробу.

Частина 3. Визначення ІКР та ФП

Після використання третьої частини АРВЗ потрібно сформулювати ідеальне кінцеве рішення. Визначається також і фізичне протиріччя (ФП), яке заважає досягненню ІКР. Зрозуміло, що ІКР не завжди можна досягнути, але він вказує напрями досягнення найбільш правильної відповіді.

3.1. Вибрати з елементів, що входять у модель задачі той, який можна легко змінити.

Приклад. Форму виробу змінити не можна – плоскою ложкою не втримаємо рідини. Круг же можна змінювати, зберігаючи здатність шліфувати.

3.2. Записати стандартне формулювання ІКР.

Приклад. Круг сам пристосовується до криволінійної поверхні, зберігаючи при цьому здатність шліфувати.

3.3. Виділити ту зону елемента, яка не справляється з комплексом двох взаємодій згідно ІКР.

Приклад. Зовнішній шар круга.

3.4. Сформулювати суперечливі фізичні вимоги, які ставляться до стану виділеної зони елемента конфліктуючими властивостями.

Приклад. 1. Щоб шліфувати, зовнішній шар круга повинен бути твердим або жорстко зв’язаним з центральною частиною круга для передачі зусиль. 2. Щоб пристосовуватися до криволінійної поверхні виробу, зовнішній шар круга не повинен бути твердим або не бути жорстко зв’язаним з центральною частиною круга.

З.5. Записати стандартні формулювання фізичного протиріччя.

Приклад. Зовнішній шар круга повинен бути твердим, щоб шліфувати виріб і не повинен бути твердим, щоб пристосовуватись до криволінійної поверхні виробу.

Частина 4. Мобілізація та застосування РПР

На попередніх етапах були визначені наявні речовинно-польові ресурси (РПР), які можна використати безкоштовно. У четвертій частині АРВЗ використовуються планомірні операції зі збільшення ресурсів: розглядаються похідні РПР, які можна отримати майже безкоштовно шляхом мінімальних змін наявних ресурсів, тобто вишукується відповідь до задачі шляхом подальшого використання фізичних законів.

Частина 5 . Застосування інформаційних фондів

У багатьох випадках після використання четвертої частини АРВЗ задача розв’язується. У таких випадках можна переходити до 9-ої частини. Якщо ж відповіді нема, то необхідно пройти п’яту частину, а саме скористатись досвідом, сконцентрованим у технічних рішеннях попередніх винахідницьких задач (ТРВЗ). Завдяки використанню ТРВЗ можна скористатись готовими технічними рішеннями (ТР) і спробувати розв’язати дану задачу.

Частина 6. Зміна та (чи) заміна задачі

Прості задачі, як правило, розв’язуються прямим подоланням фізичних протиріч, наприклад, розділенням протирічних властивостей в часі чи просторі.

Розв’язання складних задач, як правило, пов’язано зі зміною сенсу задачі – зняттям початкових обмежень, обумовлених психологічною інерцією, які і до розв’язання задачі виглядають самоочевидними. Для правильного ж розуміння задачі її необхідно спочатку розв’язати, оскільки винахідницькі задачі не можуть бути відразу сформульовані точно. І в процесі рішення задачі здійснюється її коригування.

Частина 7. Аналіз способів усунення ФП

Головна мета сьомої частини АРВЗ – перевірка якості отриманої відповіді. Фізичне протиріччя повинно бути усунене майже ідеально, «без нічого». Краще витратити дві-три години на отримання нової – більш сильної – відповіді, ніж потім півжиття боротися за погано (слабо) впроваджувану ідею.

Частина 8. Застосування отриманої відповіді

Дійсно хороша ідея не тільки вирішує поставлену конкретну задачу, а й дає універсальний ключ до розв’язання багатьох інших задач. Якраз ця частина і має на меті максимальне використання ресурсів знайденої ідеї.

Частина 9. Аналіз ходу рішення задачі

Кожна розв’язана задача АРВЗ повинна підвищувати (підвищує) творчий потенціал винахідника. А для цього необхідно прискіпливо проаналізувати хід рішення задачі та зробити відповідні висновки. Адже АРВЗ постійно вдосконалюється, використовує нові ідеї, вимагає детальної перевірки ідей тощо.

Нарешті знайдене технічне рішення – центральну частину круга виготовляють з магнітів. Зовнішня частина круга складається з феромагнітних або абразивних частинок, спечених з феромагнітами. Такий зовнішній шар буде приймати форму виробу, в той же час він збереже твердість, необхідну для шліфування.

Розглянемо, як виглядають ці правила та прийоми в АРВЗ. Як вказувалось вище, алгоритм розв¢язання винахідницьких задач складається з кількох частин або стадій (в процесі еволюції методики число стадій змінювалося від 3 до 9). Кожна частина в свою чергу ділиться на кроки. На стадії уточнення умов задачі АРВЗ містить, зокрема, такий крок.

Застосувати оператор РЧВ (розміри, час, вартість):

а) уявно змінюють розміри об'єкта від заданої величини до нуля (Р ® 0). Як тепер розв¢язується задача?

б) уявно змінюють розміри об'єкта від заданої величини до нескінченності (Р ® ¥). Як тепер розв¢язується задача?

в) уявно змінюють час протікання процесу (або швидкість руху об'єкта) від заданої величини до нуля (Ч ® 0). Як тепер розв¢язується задача?

г) уявно змінюють час протікання процесу від заданої величини до нескінченності (Ч ® ¥). Як тепер розв¢язується задача?

д) уявно змінюють вартість (допустимі витрати) об'єкта або процесу від заданої величини до нуля (В ® 0). Як тепер розв¢язується задача?

е) уявно змінюють вартість об'єкта або процесу від заданої величини до нескінченності (В ® ¥). Як тепер розв¢язується задача?

Оператор РЧВ не завжди веде до розв¢язання задачі. Власне, він і не призначений для цього. Мета шести уявних експериментів, котрі послідовно розхитують уявлення про задачу, - розбити психологічну інерцію в процесі розв¢язування.

Подивимося, як виглядає застосування оператора РЧВ у конкретній задачі.

Під час будівництва газопроводів виникає потреба споруджувати на трасі компресорні установки та резервуари для газу. Часто вони споруджуються далеко від великих промислових центрів. Резервуар для газу - це зварний циліндр діаметром 50 м і висотою 20 м.

Виготовлення даху для такого резервуару викликає масу ускладнень. Внаслідок цього затягується будівництво, оскільки багато часу доводиться витрачати на спорудження і демонтаж спеціальних риштувань. Важко забезпечити і якість робіт, оскільки монтажникам доводиться працювати в незручних умовах.

Краще було б зварити дах на землі, а потім підняти його вгору та приварити до стінок циліндра. Але як це зробити, коли немає потужного підіймального обладнання? Вага готового даху - 150 т. Завозити спеціальне обладнання тільки для підйому даху (особливо в умовах бездоріжжя) не вигідно. Як бути?

Уявні експерименти з цією задачею за оператором РЧВ почнемо зі зменшення розмірів даху. Яким чином ми підносили б дах з діаметром 5 м? Ймовірно, його вага в цьому випадку була би доступною для звичайного підіймального крана. А якщо уявно зменшити розміри даху ще в десять разів? Дах діаметром 0,5 м можна було б доставити вгору навіть вручну.

Якщо задача з використанням оператора РЧВ в одному з напрямів зміни параметра різко спрощується, то уявні експерименти в цьому напрямі припиняються.

Спробуємо рухатися в іншому напрямі. Якщо уявно збільшити початкові розміри даху в десять разів, то вага його повинна збільшитися в квадраті, тобто приблизно в 100 раз. Отже, нам треба підняти дах діаметром 500 м і вагою 15 тисяч тон. Чи це можливо зробити?

Хочеться від такої задачі відмовитися. Але поставимо запитання таким чином: припустимо, такий дах дійсно виготовили - невже людство не знайшло б способу підняти його і встановити на задане місце?

Зрозуміло, що знайшло б. Історія знає приклади. Скажімо, давні будівельники пірамід уміли підіймати величезні тягарі на велику висоту. Можна було б і нам зробити гору, наприклад, з піску і на ній змонтувати дах. Потім приварювати до нього стіни, а пісок поступово усувати, наприклад, вимиванням.

А якщо уявно збільшити розміри даху ще в десять разів? Як підняти дах діаметром в п'ять кілометрів? Уявити собі цю ситуацію не так-то просто. Але спробуємо.

По-перше, відразу стане ясно, що такий дах не можна буде підіймати, прикладаючи силу в окремих точках. Ймовірно, треба буде знизу вгору створювати тиск на всю площу даху. Це можна зробити тільки рідиною. А якщо дах плавучий? Це вже ідея. Зваримо наш дах всередині циліндра, забезпечимо його “плавучістю" і наповнимо циліндричну оболонку водою. Дах сам спливе на призначене йому місце.

У цей момент багато-хто може згадати капітана Врунгеля, який застосував такий прийом для втечі з вежі, в котрій був ув¢язнений його екіпаж. Водопровідний кран і пліт послужили йому достатніми інструментами для розв¢язання "безнадійної" задачі.

Однак під час будівництва газосховища, наприклад, в пустелі не має звідки взяти воду. Знайдений принцип розв¢язування не є універсальним. Тому продовжимо уявні експерименти за оператором РЧВ з нашою задачею.

Повернемося до початкових розмірів даху - 50 м. Будемо змінювати тепер час протікання процесу - в нашому випадку час підйому даху. За допомогою кранового обладнання цю роботу можна виконати приблизно за годину. А якщо це потрібно зробити за 5 хвилин? Нічого доброго в голову не приходить. Спробуємо ще більше загострити ситуацію. Як підняти дах за 5 секунд, за 0,5 секунд?

Тут може допомогти тільки вибух. А якщо використати циліндричну оболонку як ствол, а дах як кулю або пиж? Вистрілити дах, затримавши його на потрібному місці за допомогою спеціальних фіксаторів. Але як при цьому бути з технікою безпеки?

Спробуємо уявно збільшувати час протікання процесу.

Ч ® ¥. Якби ми мали для підйому даху цілий рік, то як у цьому випадку нам розпорядитися часом?

Простота цього уявного експеримента є примарною. Початкуючі часто пропонують рішення, які фактично можна здійснити за один день, максимум за тиждень. А залишок часу в неявному вигляді пропонують тратити на “перекури". Але з таким підходом можна дуже швидко зіпсувати собі легені. Задача ж полягає у тому, щоб відшукати та використати такі процеси, які тривали б саме цілий рік, так би мовити неперервно і поступово.

Тим, кому вдається подолати себе і уявно побачити такі процеси, пропонують використати процеси розбухання пористих матеріалів в процесі їх змочування, посадити під дахом бамбук і виростити його до необхідної висоти тощо.

Звернемося нарешті до третього параметра РЧВ - вартості процесу підйому даху.

Припустимо, що вартість підйому даху за допомогою спеціального обладнання (з урахуванням витрат на його доставку і монтаж) становила б 10000 грн. А щоб ми могли запропонувати для забезпечення підйому даху за 1000 або 100 грн?

Тут у початківців також виникають труднощі. Спочатку доводиться підказувати. За рахунок чого можна істотно знизити вартість? За рахунок використання природних сил або за рахунок максимального використання обладнання, що знаходиться під рукою? І коли висловлені раніше ідеї починають комбінуватися з можливостями обладнання, що є на будівництві, з'являється така, наприклад, пропозиція. Використати компресори (замість вибуху) для створення необхідного тиску повітря під дахом, забезпечивши його сполучення з циліндричною оболонкою як поршня з циліндром в двигуні внутрішнього згоряння та застосувавши ущільнення по периметру з еластичного матеріалу.

Ідея цього рішення близька до тієї, яка була застосована на практиці. У свій час це дозволило істотно знизити терміни будівництва та підвищити якість монтажу.

Таким чином, в процесі застосування оператора РЧВ вдається не тільки швидко та радикально змінити уявлення про задачу, але й знайти цікаве рішення, хоча застосування оператора РЧВ і не переслідує таку мету.

Так виглядає застосування одного з кроків АРВЗ. Далі ми розглянемо елементи цієї методики детальніше і повніше.

Процес розв¢язування винахідницької задачі розглядався як послідовність операцій з виявлення, уточнення та подолання технічного протиріччя. Спрямованість пошуку досягалася в цьому випадку орієнтацією на ідеальний кінцевий результат. Ми вже говорили про ту користь, яку може принести використання принципу ідеалізації під час пошуку нових технічних рішень. В АРВЗ цей принцип було опрацьовано методично, на окремому кроці було розписано рекомендації з формулювання ІКР. Тим самим принцип ідеалізації було органічно вписано в процедури пошуку, "підігнано" як камінь в архітектурну споруду.

В АРВЗ широко використані основні принципи системного підходу. Згідно з вимогами системного підходу, технічний об’єкт, що підлягає вдосконаленню, розглядається як цілісна система, яка складається з підсистем, взаємопов’язаних елементів і разом з тим вона є частиною надсистеми.

Нарешті, в рамках цієї методики були розроблені деякі форми спеціального інформаційного забезпечення. Зокрема, було підготовлено та проілюстровано яскравими прикладами список сорока евристичних прийомів, котрі дозволяють переборювати типові технічні протиріччя. На основі аналізу великого масиву винаходів було складено таблицю, яка дозволяє вибирати з цього списку ті прийоми, які дозволяють з більшою ймовірністю усунути технічне протиріччя (ТП) , виявлене в задачі, що розглядається. Так, проаналізувавши 40 тисяч винаходів було показано, що в них долається біля 1200 протиріч за допомогою 40 типових прийомів. Певний тип протиріч усувається відповідним (невеликим) числом "своїх" прийомів (табл.2.4-2.5, детальніше див.розділ 3).

Таблиця 2.4

Список етапів узагальненого алгоритму пошуку нових технічних рішень з вказуванням використаних масивів інформації з табл. 2.5

Позначення етапу Назва етапу
Е1 Визначення суспільної потреби (М1, М2)
Е2 Визначення мети розв’язання задачі
Е3 Попереднє вивчення задачі (М3, М4)
Е4 Збір та аналіз інформації про задачу (М4)
Е5 Дослідження задачі
Е6 Вибір параметрів об’єкту та висунених до нього вимог (обмежень) (М1)
Е7 Уточнення формулювання задачі
Е8 Формулювання кінцевого результату
Е9 Виявлення технічних та фізичних протиріч у технічній системі
Е10 Вибір пошукових процедур та евристичних прийомів (М6, М7)
Е11 Пошук ідей розв’язання задачі
Е12 Аналіз та опрацювання ідей розв’язання задачі (М3, М4)
Е13 Вибір раціональних варіантів ТР
Е14 Вибір найбільш раціонального варіанту ТР (М8)
Е15 Розвиток та спрощення ТР (М6)
Е16 Аналіз техніко-економічної ефективності знайденого ТР (М4)
Е17 Узагальнення результатів розв’язання задачі

 

Таблиця 2.5

Масиви інформації узагальненого алгоритму пошуку нових технічних рішень

Позначення масиву Назва масиву
М1 Список вимог до ТР
М2 Список методів виявлення недоліків ТР
М3 Фонд фізичних ефектів (ФЕ)
М4 Фонд ТР, включно з останніми, запатентованими рішеннями
М5 Список методів виявлення причин виникнення недоліків в ТР
М6 Фонд евристичних прийомів
М7 Список пошукових процедур
М8 Список методів оцінки та вибору варіантів ТР

 

Згідно з АРВЗ ІКР формулюють, не задумуючись як він може бути досягнутий. У його порівнянні з реальним технічним об’єктом і виникне технічне протиріччя, коли спроба покращити один з показників (параметрів) системи (об’єкту) відомими способами, веде до погіршення іншого параметра (показника). ТП і є погіршення одних показників за рахунок покращення інших. Суть АРВЗ насправді полягає в тому, щоб шляхом порівняння ідеального та реального виявити ТП чи його причину - фізичне протиріччя та усунути його шляхом перебору відносно невеликої кількості варіантів.

Винахідницькі задачі принципово відрізняються від задач технічних, інженерних та конструкторських, для розв’язання яких є достатньо інформації та наперед відомо, що і як можна зробити. Задача стає винахідницькою тоді, коли для її розв’язання необхідно подолати протиріччя. Тому в умовах задачі, крім опису технічної системи та її недоліків, повинно бути присутнім протиріччя, яке виявляється порівнянням реальної технічної системи з ідеальною, яка не має недоліків, характерних для реальної системи. Суть ІКР полягає в тому, щоб отримати орієнтир для пошуку сильних технічних рішень високого рівня. Ідеальне - це найкраще з усіх мислимих та немислимих розв’язань даної задачі. Важливо уяснити поняття про ідеальну машину (машини нема, а потрібна дія виконується), ідеальний спосіб (витрат енергії та часу нема, а потрібна дія виконується, причому саморегульовано), ідеальну речовину (речовини нема, а її функція виконується). У самому факті виникнення винахідницької задачі вже присутнє протиріччя: потрібно щось зробити, а як зробити - невідомо. Умовно такі протиріччя називають адміністративними. Їх евристична (підказуюча) сила відсутня. Під час пошуку ідеї рішення важливо швидко та правильно відшукати принцип подолання протиріччя, а для цього потрібно володіти значним інформаційним апаратом. Таким апаратом є фонд фізичних ефектів, евристичних прийомів, технічних рішень і т.п. Важливо вміти ними вільно користуватись. Фонди типових прийомів подолання технічних суперечностей, фізичних ефектів та явищ є тим потужним інформаційним апаратом, який суттєво підвищує ймовірність успішного розв’язання задачі та підвищує її рівень.

На основі вказаних підходів вдалося скласти таблицю прийомів подолання технічних протиріч, по вертикалі якої розміщені параметри, котрі необхідно покращити, а по горизонталі - параметри, котрі недопустимо погіршуються, якщо розв’язувати задачу відомими шляхами. У цій таблиці перетин стрічки (параметру, який покращується) зі стовпцем (параметр, який погіршується) дають поєднання, котре визначає конкретний тип ТП, який можна усунути за допомогою прийомів у отриманій комірці таблиці (див. табл.3.5).

Практика розв’язання винахідницьких задач показує, що кожен окремий винахідник засвоює та використовує не всі методи, а один (декілька), причому вони можуть бути (окремі частини) з різних методів. Тобто, кожен має свій власний почерк. Поряд з цим, дослідження, які проводить винахідник, мають ряд спільних етапів, рис та характерних понять. Розв’язання винахідницької задачі починається з виникнення проблемної (винахідницької) ситуації, з виявлення якогось недоліку, властивого даній технічній системі, який проявляється як невідповідність технічних можливостей системи суспільним (технічним) потребам. Тому можна сформулювати певну раціональну послідовність розв’язування задачі у такій послідовності.

1. Оцінка доцільності розв’язання задачі, тобто розглядається питання чи варто братись за вирішення задачі взагалі, як дорого це коштуватиме тощо.

2. Аналіз надсистеми та обхідних задач - на цьому етапі узагальнюються умови задачі.

3. Аналіз технічної системи, яка має недолік, і побудова логічної ланки причинно-наслідкових зв’язків недоліків з їх причинами.

4. Побудова моделі технічного об’єкта, пов’язаного з вибраною задачею.

5. Формулювання умови задачі. Це один з найважливіших етапів. Часто вдалі, оригінальні рішення виникали після переформулювання задачі. Умови задачі вважаються сформульованими, якщо вказана реальна технічна система та її недолік, ідеальний кінцевий результат та виявлено протиріччя між ними.

6. Пошук ідеї рішення. На цьому етапі реалізуються: порівняння умови задачі з більш чи менш віддаленими аналогами; пошук фізичних принципів розв’язання за допомогою фонду фізичних ефектів та явищ; співставлення умов задачі з умовами інших вже розв’язаних задач, що зберігаються у фонді технічних рішень; спроби перетворення технічної системи та подолання технічних протиріч за допомогою типових прийомів, які становлять фонд евристичних прийомів; побудови моделі задачі тощо. Пошук рішень може здійснюватись різними методами та прийомами, аж поки не досягнеться позитивний результат. Якщо ідея рішення знайдена, розглядаються можливості її реалізації, тобто, вибирається відповідний технічний об’єкт (система). Тут уточнюються функції, які будуть виконуватись окремими елементами об’єкту. За необхідності в об’єкт (систему) вводяться нові елементи, які виконуватимуть певні нові функції тощо. Таким чином, створюється об’єкт (система), який найефективніше виконуватиме поставлену задачу.

 

2.12. Функційно-фізичний метод конструювання

 

Перший в світі звукозаписувальний прилад - фонограф - було виготовлено одним зі співробітників Едісона механіком Джоном Крузі. Отримавши завдання та креслення (нотатка Едісона на полях креслення визначала розмір винагороди за роботу - 18 доларів), Крузі, котрий не знав про призначення моделі, виготовив фонограф, який можна тепер побачити в Лондоні, у Музеї політехнічних знань.

Закінчивши роботу, Крузі запитав у Едісона про призначення приладу. Той пояснив, що хоче за його допомогою записувати, а потім відтворювати мову. Крузі не повірив винахіднику. Він ніяк не міг собі уявити, що рупор з голкою і циліндр можуть виконувати функції "запам¢ятовувача" звуків.

Досить несподіваною виявилася поведінка дітища і для самого винахідника. "Я прокричав фразу,- писав пізніше Едісон,- відрегулював репродуктор, і машина відтворила мій голос. Ніколи в моєму житті я не був так вражений".

Коли 11 березня 1878 року відомий фізик де Монсель демонстрував на засіданні французької Академії наук фонограф Едісона, академік Буйо схопився та з обуренням почав кричати: "Негідник! Ви думаєте, що ми дозволимо чревовіщателеві надувати нас!"

Механік Крузі, сам Едісон, академік Буйо... Сьогодні важко уявити, що всі вони з труднощами уявляли собі зв'язок елементів фонографа з його функціями.

Але й нинішні конструктори та винахідники часто недостатньо ясно уявляють собі функції технічних систем, котрі ними розробляються.

Споживача зрештою цікавлять не предмети і речі як такі, а ті дії, які він може з їхньою допомогою здійснювати. Наприклад, його цікавить не електродвигун і холодильник, а функції, що виконуються ними: обертати вал і зберігати продукти.

У всіх сучасних методах пошуку нових технічних рішень функціям приділяють велику увагу. В тій чи іншій мірі в кожному сучасному методі використовується функційний підхід, за яким задача полягає не у вдосконаленні конкретного пристрою, а передовсім у пошуку інших способів виконання його функцій.

У своєму методі конструювання, що набув поширення в Німеччині, автор методу Рудольф Коллер використовує та розвиває функційний підхід. Він назвав свій метод алгоритмічно і фізично орієнтованим. Метод базується на таких трьох китах:

· аналіз функцій технічних систем і їх елементів;

· систематизований фонд фізичних ефектів;

· чіткий (алгоритмоподібний) опис процесу пошуку конструйованих пристроїв.

У вітчизняній літературі за першими двома "китами" метод називають функційно - фізичним методом пошукового конструювання. Він відображає розвиток раціональних методів пошуку в 70...80-х роках минулого століття.

Будь-яка технічна система, за Р.Коллером, формує та перетворює будь-який один або декілька потоків. Залежно від того, який потік є основним, технічні системи поділяються на машини, що перетворюють потоки енергії; апарати, що перетворюють потоки речовин; прилади, що перетворюють потоки інформації (сигналів).

Подібно до потоків води, потоки енергії, речовин та інформації можуть мати джерела, зливатися, як ріки, заповнювати ємності. Потоки можуть рухатися компактно і за заданою траєкторією, як вода в трубі, або роздрібнено, подібно до дощу або хмари.

Все розмаїття навколишнього світу техніки пов'язане з різними комбінаціями різноманітних форм існування потоків речовини, енергії та інформації. Але в основі всіх видів перетворення цих потоків лежить, за Р.Коллером, невелике число найпростіших або основних операцій. І подібно до того, як з хімічних елементів можна скомпонувати будь-яку відому речовину, з основних операцій можна скласти будь-який ланцюжок перетворення потоків. А потім, підібравши елементи, які будуть виконувати ці операції, сконструювати необхідну технічну систему.

Р.Коллер вважає, що набір основних операцій охоплює 12 пар прямих і зворотних перетворень. Кожній основній операції Р.Коллер дає умовне позначення, яке розкриває її суть.

Наприклад, одну з цих пар утворюють основні операції “збір" і “розсіювання". Операція “збір" служить для того, щоб потік енергії, речовини або інформації, що розповсюджувався в просторі (розподілений потік), примусити протікати в одному напрямі або зосередити на одній лінії (в одній точці). Операцію “збір" виконують, наприклад, фокусуюча лінза, патрубок, через який витікає вода з басейну, параболічна антена. При операції "розсіювання" впорядкований потік розширює фронт розповсюдження у всіх напрямах. Цю операцію здійснюють розсіююча лінза, наконечник душу, антена радіопередавача.

Іншим прикладом пари можуть служити операції “збільшення" та “зменшення". Під час виконання цих операцій потік змінює свою величину. Операції “збільшення" та “зменшення" реалізують, наприклад, за допомогою важелів, електричних трансформаторів, діафрагм, котрі змінюють площу перетину потоків, тощо.

Повний перелік основних операцій та їх умовних позначень наведені далі в табл. 2.6.

Якщо до основної операції додати опис того, яка конкретно фізична величина повинна бути перетворена в задану іншу величину, то ми отримаємо елементарну функцію. Опис елементарної функції, таким чином, містить три компоненти: "що", “як" і “у що" перетворюється. Цим компонентам відповідають “вхід", “дія" та “вихід".

Процес конструювання, за Р.Коллером, повинен обов'язково охоплювати побудову функційної моделі технічної системи. А функційна модель - це відображення принципової електричної схеми, у якій замість реле, опорів і конденсаторів використовують елементарні функції.

Як це робиться, розглянемо в загальних рисах на такому прикладі.

Припустимо, нам необхідно сконструювати пристрій для подачі рідини з пункту А в пункт Б.

Розробку функційної структури цього пристрою розпочнемо з опису загальної функції. Рекомендується зображати її графічно у вигляді "чорного ящика". Наприклад, так, як показано на рис.2.3. Тут: ПР - потік речовини (рідини); ПЕ - потік енергії (електричної); ПРЕ - потік речовини з енергією; рв1 - регулюючий вплив 1 (ввімкнення-вимкнення); РВ2 - регулюючий вплив 2 (регулювання витрати).


Потрібно сказати, що під час першого зображення необхідного пристрою у вигляді “чорного ящика" виникають певні труднощі зі знаходженням правильних узагальнених формулювань для позначення входів і виходів. У цьому випадку початкуючі зовсім не відразу точно визначають назву вихідного потоку.

 

 

 

Рис. 2.4. Розгорнута функційна схема пристрою

Далі побудовану загальну функцію розділяють на декілька підфункцій, використовуючи досвід поділу на функційні вузли відомих, аналогічних пристроїв. Наприклад, нам відомий пристрій для подачі рідини, який містить крильчатку, електродвигун і систему його управління.

Використовуючи цю схему як прототип, структуру підфункцій пристрою для подачі рідини можна скласти з трьох елементів у вигляді, наведеному на рис. 2.4.

Подібним чином розглядають кожну підфункцію та здійснюють розчленування її на більш елементарні функції. Під час конструювання складних технічних систем процедура застосовується багато разів доти, поки кожна підфункція не буде подана як елементарна функція. В результаті ми отримуємо структуру елементарних функцій, яка, наприклад, для нашого пристрою прийме такий вигляд (рис.2.5).

 
 

 

 

Тут: ПЕЕ - потік енергії електричної; ПЕК - потік енергії кінетичної.

 

 
 

 


Використовуючи тепер побудовану структуру елементарних функцій, ми можемо шляхом комбінування основних операцій отримати інші можливі функціональні структури. Для розглянутого прикладу теоретично можна отримати 24 комбінації перестановок. На рис.2.6 наведено приклади трьох структур, які можуть бути реалізовані з відомих готових конструктивних елементів.

Однак, зовсім не завжди під час пошуку нових технічних рішень ми можемо отримати функційні структури, елементарні функції яких можна реалізувати за допомогою відомих вже готових технічних конструкцій. Для подолання посталих ускладнень Р.Коллером розроблено так званий каталог фізичних ефектів.

Немає потреби нікого переконувати, що знання з фізики необхідні в процесі пошуку нових технічних рішень. Можна навести немало прикладів, як без таких знань просто неможливо відшукати хоч якесь рішення. Ось, наприклад, така задача: знайти спосіб істотного зниження ваги апаратури для аварійного освітлення на літаку.

В авіації кожний кілограм знаходиться на обліку. Але під час аварійної посадки вночі, коли можлива відмова основних джерел живлення, обов'язково повинні освітлюватися основні та аварійні виходи. Якщо виконувати аварійну систему освітлення за допомогою традиційних акумуляторів або батарей, проводів, лампочок, то це буде причиною низької надійності і періодичних перевірок. А головне - з'явиться зайва вага, яку потрібно постійно возити на літаку, чудово усвідомлюючи, що ця вага, можливо, ніколи і не буде використана.

Ефективне рішення цієї задачі було знайдено за межами електротехнічних знань. Замість електричних лампочок використали трубки, виконані з еластичної прозорої пластмаси. Трубки заповнюються спеціальною рідиною. Крім того, вони містять всередині скляні ампули, котрі містять іншу спеціальну рідину.

Під час виникнення аварійної ситуації вночі скляна ампула всередині трубки розламується (гнучку пластмасову трубку просто згинають). Після руйнування скляної ампули дві рідини в трубці вступають в реакцію хімолюмінесценції. В результаті трубка на час аварійної ситуації перетворюється в лампочку.

Ніякий аналіз функцій сам по собі не допоможе знайти таке рішення. Щоб його знайти, необхідно мати у своєму розпорядженні інформацію про ефект хімолюмінесценції.

Під час пошуку нових технічних рішень часто буває і так: винахіднику відомий фізичний ефект, який може усунути постале ускладнення, але чомусь він не приходить на думку в потрібний момент. Технічні і фізичні знання розміщуються в голові ніби на різних полицях, між ними немає миттєвих зв'язків.

Розглянемо, наприклад, таку задачу. У лабораторії машинобудівного заводу вийшла з ладу система подачі стола мікроскопа. Ця система складалася з двох підсистем: грубої і точної. Груба подача може здійснюватися і вручну. Але як забезпечити точне регулювання? Для виготовлення деталей точної подачі на заводі не було необхідного обладнання. Раціоналізатори допомогли вирішити проблему. Запропоноване рішення виявилося несподіваним для багатьох інженерів, хоча базувалося на використанні фізичного ефекту, відомого всім зі шкільної лави. Для точної подачі стола було запропоновано використати ефект теплового подовження спеціального стержня, забезпеченого електричною спіраллю. Нагрів стержня до певної температури спричиняв строго задане переміщення стола мікроскопа.

Тому, хто шукає нові технічні ідеї, було би дуже корисно мати під рукою довідник, в якому відомості про фізичні ефекти та явища були б прив'язані до технічних задач.

Каталог Р.Коллера власне і виконує роль такого довідника. У ньому є спеціальні таблиці, за допомогою яких, знаючи "вхід" і "вихід" елементарної функції, легко підшукати фізичний ефект для необхідного перетворення. Цей каталог, таким чином, є містком, що зв'язує технічні знання з фізичними ефектами.

Повернемося до нашої задачі про перекачування рідини з пункту А в пункт Б. Ми знайшли декілька варіантів функційних структур. А чим тепер нам може бути корисним каталог Р.Коллера?

По-перше, використовуючи таблицю для основної операції "перетворення", за заданим "входом" - електрична енергія - і "виходом" - механічна (кінетична) енергія - можна знайти фізичні ефекти, які дозволяють реалізувати таку функцію.

По-друге, ми б перевірили можливість пошуку фізичного ефекту, який дозволив би реалізувати відразу ланцюжок з двох або трьох елементарних функцій. Можна спробувати, зокрема, знайти фізичний ефект, що забезпечує безпосереднє перетворення електричної енергії в тиск рідини. У каталозі Р.Коллера є така інформація (табл. 2.7).

 

Таблиця 2.6

Перелік основних операцій та їх умовні позначення

№ п/п Назва прямої операції Умовне позначення Назва оберненої операції Умовне позначення
  Випромінювання (джерело)     Поглинання (пункт входу)
    Провідність       Ізолювання
    Збір       Розсіювання
    Проходження       Непроходження
    Перетворення     Оберенене перетворення
    Збільшення       Зменшення
  Зміна напряму     Зворотна зміна напряму
      Вирівнювання         Коливання
  Зв¢язок       Переривання
  Об¢єднання (різнорідних потоків)       Роз¢єднання  
Сполучення (однорідних потоків)       Розділення  
    Накопичення       Видача  

 

Потім, у випадку необхідності можна звернутися до вказаного в каталозі джерела, в якому цей ефект описано більш детально.

Загалом, метод Р.Коллера дозволяє перейти від потреби через функційні структури до фізичних принципів дії конструйованих технічних систем. Наступні процедури методу дозволяють підбирати носії фізичних ефектів (матеріали з необхідними властивостями, відповідні види енергії і сигналів), а потім знаходити форми та розміри цих носіїв, які найбільш задовольняють умови задачі.

 

Таблиця 2.7

Витяг з каталогу фізичних ефектів Р.Коллера

Назва Рисунок Формула Література Застосування
Електро- кінетичний ефект (електроосмос)       Р - електро- осмотичний тиск Григоров О.Н. Электро- кинетические явления. Изд. ЛГУ, 1973 Насос (електро-статичний)

 

Особливістю цього методу є простота його прив'язування та стикування до методів автоматизованого проектування. Зокрема, стандартна форма опису фізичних ефектів дозволяє здійснювати їх накопичення та зберігання в ЕОМ.

Функційно-фізичний метод досить наочно показує, як зараз продовжується все більш детальне розчленування процедур пошуку на елементарні кроки, як відбувається їх “алгоритмізація". Він ілюструє також розвиток ще однієї характерної риси сучасних методів - спеціального інформаційного забезпечення, яке збільшує ресурси винахідників і раціоналізаторів і тим самим розширює їх пошуковий потенціал.