Поиск новых решений с помощью морфологического анализа
1 вариант ответа
В 1942 г. швейцарский астроном Ф. Цвикки предложил метод поиска решений технических задач, названный им морфологическим (типологическим) анализом (морфологический — касающийся внешнего вида или строения, т.е. формы). С помощью этого метода за короткое время ему удалось получить значительное количество оригинальных технических решений, чем он очень удивил ведущих специалистов и руководителей своей фирмы (баллистическое устройство, взрывчатые вещества, способ комбинированной фотографии и др.).
Суть его заключается в следующем. В технической системе выделяют несколько характерных для нее структурных или функциональных морфологических признаков. Каждый такой признак может характеризовать какой-то конструктивный режим работы, т.е. параметры или характеристики объекта, от которых зависит достижение объектом основной цели, определяемой его назначением.
По каждому признаку составляется список его возможных конкретных вариантов, альтернатив, технического выражения. Признаки можно расположить в форме таблицы, называемой морфологическим ящиком или матрицей. Это позволяет определить поисковое время. Перебирая сочетания вариантов выделенных признаков, можно выявить новые решения задачи. Поэтому морфологический анализ часто применяют не для поиска какого-либо одного решения, а в тех случаях, когда требуется исследовать область возможных решений.
В результате направленного и системного анализа генерируется новая информация, которая при простом переборе вариантов ускользает от внимания.
Как уже было отмечено, морфологический анализ позволяет создавать конструкции новых устройств, обладающих требуемыми качествами. В наиболее простом случае для этого составляется двумерная (содержащая две оси или два главных показателя) матрица. По обеим осям записываются все возможные варианты решения задачи для заданных показателей (характеристик). Затем рассматриваются все возможные сочетания вариантов по каждой оси.
Содержание метода.
Для проведения морфологического анализа необходима точная формулировка проблемы для рассматриваемой системы. В итоге даётся ответ на более общий вопрос посредством поиска всевозможных вариантов частных решений, независимо от того, что в исходной задаче речь шла только об одной конкретной системе.
Этапы решения задачи с помощью морфологического анализа ее параметров.
1. Формулировка задачи (проблемы).
2. Составление списка всех морфологических признаков объекта задачи, т.е. всех важных характеристик объекта, его параметров и режимов работы, от которых зависит реализация объектом своей главной цели.
3. Раскрытие возможных вариантов по каждому морфологическому признаку и составление морфологической матрицы.
4. Формулировка конкретных решений задачи путем сочетаний вариантов морфологических признаков.
5. Определение практической ценности полученных вариантов решения задачи и выбор из них наиболее эффективных
Морфологический анализ позволяет осуществлять и более глубокий системный анализ вариантов решения задачи путем применения метода к конкретному варианту решения, т.е. для определенного технического решения задачи снова выделяют морфологические признаки и осуществляют их синтезированный перебор.
Недостаток метода — обилие вариантов, из которых трудно выбрать наилучший. Кроме этого, морфологический анализ не позволяет определить, все ли возможные варианты рассмотрены.
Пример.
Например, необходимо предложить новую эффективную конструкцию устройства для транспортирования по снегу — снегохода.
Точное определение класса изучаемых систем (устройств) позволяет раскрыть основные характеристики или параметры, облегчающие поиск новых решений. Применительно к снегоходу как транспортному средству морфологическими признаками могут быть функциональные узлы снегохода: А — двигатель, Б — движитель, В — опора кабины, Г — управление, Д — обеспечение заднего хода и т. п. Номиналистически снегоход может представляться как дирижабль. Кажущаяся бессмыслица показывает насколько важно соблюдение формы информации в структуре.
Каждая характеристика (параметр) обладает определённым числом различных независимых свойств. Так, двигатели: А1 — внутреннего сгорания, А2 — газовая турбина, А3 — электродвигатель, А4 — реактивный двигатель т.д.;
движители: Б1 — воздушный винт, Б2 — гусеницы, Б3 — лыжи, Б4 — снегомёт, Б5 — шнеки и т. д.;
опора кабины: В1 — опора кабины на снег, В2 — на двигатель, В3 — на движитель и т. д.;
По заданной проблеме в матричном выражении (морфологическом ящике) фиксируются наиболее существенные параметры.
Например, для снегохода матрица будет иметь вид:
(А1 А2 А3 А4)
(Б1 Б2 Б3 Б4 Б5)
(В1 В2 В3)
Возможные сочетания: А1, Б3, В2, или А1, Б2, В3, или А2, Б1, В2 и т. д. Общее количество сочетаний в морфологическом ящике равно произведению чисел элементов на осях. В нашем примере: 4*5*3 = 60.
Матрица — символическая форма описания решений. Она дает представление о всех возможных конструктивных схемах снегохода путем фиксирования в каждой строке матрицы одного из элементов. Набор этих элементов будет представлять возможный вариант исходной задачи. Рассматривая разные сочетания этих элементов, можно получить большое сочетание всевозможных вариантов решений, в том числе и самых неожиданных. Так, морфологическая матрица для реактивных двигателей, работающих на химическом топливе, построенная Ф. Цвикки, содержала 576 возможных вариантов решений.
Ответственный этап метода — оценка вариантов решений, вытекающих из структуры морфологической матрицы. Сравнивают варианты по одному или нескольким наиболее важным для данной технической системы показателям.
Морфологический ящик.
| характеристика | свойства | ||||||
| … | |||||||
| А | двигатель | внутреннего сгорания | газовая турбина | электродвигатель | реактивный двигатель | … | |
| Б | движитель | водяной винт | гусеницы | лыжи | снегомёт | шнеки | … |
| В | опора кабины | на грунт | на двигатель | на движитель | … | ||
| Г | управление | … | |||||
| Д | обеспечение заднего хода | … |
2 вариант ответа
Известным методом систематизированного поиска новых идей является морфологический анализ, предложенный швейцарским астрофизиком Цвикки. Морфологический анализ основан на построении таблицы, в которой перечисляются все основные элементы, составляющие объект и указывается, возможно, большее число известных вариантов реализации этих элементов. Комбинируя варианты реализации элементов объекта, можно получить самые неожиданные новые решения. Последовательность действий при этом следующая:
1. Точно сформулировать проблему.
2. Определить важнейшие элементы объекта.
3. Определить варианты исполнения элементов.
4. Занести их в таблицу.
5. Оценить все имеющиеся в таблице варианты.
6. Выбрать оптимальный вариант.
Основной идеей морфологического анализа является упорядочение процесса выдвижения и рассмотрения различных вариантов решения задачи. Расчет строится на том, что в поле зрения могут попасть варианты, которые ранее не рассматривались. Принцип морфологического анализа легко реализуется с помощью компьютерных средств.
Однако для сложных объектов, имеющих большое число элементов, таблица становится слишком громоздкой. Появляется необходимость рассмотрения огромного числа вариантов, большая часть которых оказывается лишенной практического смысла, что делает использование метода слишком трудоемким. Таким образом, главными недостатками метода является упрощенность подхода к анализу объекта и возможность получения слишком большого для рассмотрения числа вариантов. Морфологический анализ имеет много как простейших, так и усложненных модификаций. Однако его применение рационально для простых объектов и там, где возможно найти новую идею за счет комбинации известных решений (реклама, дизайн и т. п.).
Пример морфологического анализа
Основные понятия ТРИЗ. Вепольный анализ.
Первоначальную формулировку проблемы в ТРИЗ (теория решения изобретательских задач) принято называть изобретательской ситуацией. Она обычно сформулирована расплывчато и не содержит в себе указаний на пути решения.
Макси-задача: требуется принципиально новая техническая система для такой-то цели.
Мини-задача: необходимо сохранить существующую систему, но обеспечить недостающее полезное действие (или убрать имеющееся вредное свойство).
ТРИЗ выделяет 3 вида противоречий:
Существуют противоречия административные (АП): нужно что-то сделать, а как сделать – неизвестно.
Технические противоречия (ТП) отражают конфликт между частями или свойствами системы. Улучшение одного параметра системы приводит к ухудшению другого параметра.
Физическое противоречие: «для улучшения системы, какая-то её часть должна находиться в разных физических состояниях одновременно, что невозможно».
Информационный фондсостоит из:
Δ приёмов устранения (40 основных приёмов) противоречий и таблицы их применения;
Δ системы стандартов на решение изобретательских задач (типовые решения определённого класса задач);
Δ технологических эффектов и таблицы их использования;
Δ ресурсов природы и техникии способов их использования.
Веполь (вещество+поле) – минимально управляемая техническая система, состоящая из двух взаимодействующих объектов и энергии их взаимодействия. Взаимодействующие объекты условно названы веществами и обозначаются Вф и В, а энергия взаимодействия полем и обозначается Пм.
В вепольном анализе под «веществом» понимают не только вещество, но и технические системы и их части, а иногда и внешнюю среду. Поля: гравитационное, электромагнитное, тепловое, акустическое, силовое и т. д.
Пример. Для временного перекрытия трубопроводов путем образования пробки закачивают быстротвердеющий полимерный состав. Недостаток способа состоит в том, что жидкость до отвердевания растекается. Пробка получается неоправданно длинная, это усложняет ее извлечение после ремонта трубопровода. Как быть?
Надо ввести в полимерный состав ферромагнитные частицы и удерживать состав магнитным полем. Запишем это решение так, как записывают химические реакции. По условиям задачи дано вещество (полимерный состав), обозначим его буквой В. Пунктирной стрелкой покажем, что вещество плохо поддается управлению и надо научиться им управлять:
Запишем теперь ответ. Вводится магнитное поле Пм, действу-ющее на ферромагнитный порошок Вф, который, в свою очередь, управляет В:
Соединим «дано» и «получено» двойной стрелкой, она заменит слова «для решения задачи надо перейти к»:
