Методы решения технических задач

4.1. Традиционный метод решения технических задач

Традиционный метод решения инженерных задач - это метод проектирования путем создания чертежей в определенном масштабе.

Данный метод хорошо знаком многим людям так или иначе причастным к технике, технологии.

Причем созданию чертежей во многих случаях должны предшествовать такие работы, как поиск информации, относящейся к создаваемому изделию или виду техники, а так же выполнение в требуемых случаях научно-исследовательских работ.

4.2. Кустарный промысел

Вместе с тем предшественником современного проектирования – проектировщика является отнюдь не чертежник.

Первым инициатором изменений в искусственной среде (т.е. среде, где вещи сделаны человеком) был не создатель чертежей, а создатель вещей, искусный ремесленник или кустарь.

Кустарный промысел прожил долгие годы и накопил богатый опыт, который с успехом используют или должны использовать современные проектировщики, конструкторы.

Из путей эволюции кустарного промысла можно сделать следующие выводы:

а) ремесленник не вычерчивает эскиз своего изделия – а часто и просто он не в состоянии этого сделать – и не может удовлетворительно объяснить, почему он принимает то или иное решение;

б) изменение формы кустарного изделия происходит в результате бесчисленных неудач и успехов в процессе многовекового поиска методом "проб и ошибок";

в) эволюция кустарных промыслов может привести и к дисгармонии в решениях;

г) хранилищем всей важной информации, собранной в ходе эволюции промысла, является, в первую очередь, сама форма изделия, которая остается постоянной и изменяется только для исправления ошибок и при возникновении новых потребностей;

д) два класса данных, наиболее важные для современного проектирования – форма изделия в целом и логические обоснования формы – не фиксируются в символической форме, поэтому их невозможно исследовать и изменить без грубого экспериментирования с самим изделием.

4.3. Особенности чертежного метода создания техники

4.3.1 Безчертежный метод создания техники

Безчертежный метод создания техники (более широкое понятие – искусственная среда) остался практически в прошлом. В настоящее время самым распространенным методом процесса создания техники является метод проектирования путем создания чертежей в определенном масштабе.

Принципиальная разница этого метода от кустарного метода заключается в том, что здесь поиск методом "проб и ошибок" отделен от производства, что эксперименты и изменения производятся на масштабном чертеже, а не на самом изделии. Это позволило задавать размеры изделия, делать различные его варианты до изготовления, не расходовать время и материалы на различные варианты изделия, использовать труд многих работников, что ускоряло темпы его изготовления.

Когда геометрические аспекты производства были сведены в чертеж, у проектировщика появлялось гораздо более обширное "поле представлений", чем было у ремесленника.

Конструктор может выделить на чертеже все изделие целиком, манипулировать им, вносить различные изменения даже принципиальные.

С помощью линейки и циркуля он легко может найти траекторию движения любой детали и определить, как изменение формы одной из деталей скажется на конструкции всего изделия.

Конструктор – едва ли не единственный специалист современной промышленности, остающийся "целостником", а не "частичником"; он защищает свое творение как единое целое, которое нужно либо принять без изменений, либо все до основания переделать.

Важно отметить следующее: над чертежом одновременно может работать только один человек, и все ситуации, которым должна удовлетворять конструкция, приходится держать в голове одному человеку. Из-за этого на ранних стадиях проектирования чертежным способом работу ведет всего один человек, чаще всего главный (ведущий) конструктор или руководитель группы. Только решения им всех вопросов дальнейшую работу над проектом можно распределить между несколькими исполнителями.

4.3.2 Современные методы проектирования

Современные методы проектирования отличаются комплексным подходом к решаемой проблеме, с учетом многих факторов разного уровня и значения.

В связи с этим на современном этапе развития техники проектирование имеет следующие особенности:

Перенос технических решений, т.е. использование разработок из других областей знаний и сфер человеческой деятельности для решения данной задачи. Так, оригинальные решения конструкторы находять иногда, рассматривая биологические системы.

Возможность возникновения побочных эффектов при производстве и использовании разрабатываемой машины, которые необходимо прогнозировать еще на стадии проектирования, когда еще можно изменить конструкцию и организацию системы ее функционирования.

Так, например, при сооружении атомных электростанций необходимо, чтобы реактор был надежно защищен от взрыва, иметь мощнейший бетонный фундамент, должна быть обеспечена высочайшая организация технического обслуживания и ремонта.

Применение и все более широкое распространение стандартов разных уровней для обеспечения совместимости подобных машин, которые кроме этого должны отвечать требованиям современной сертификации.

Обеспечение многоцелевого применения одной конструкции в различных системах.

Например, создание переналаживаемых автоматических линий делает их гибкими, легко приспосабливающимися к изменчивости ассортимента и серийного выпуска. (Пример, с роботами узкого назначения).

Резкое нарастание затрат в настоящее "рыночное" время в ходе подготовки производства нового изделия требует особого внимания к качеству конструирования, исследований, испытаний опытных образцов. Проект должен быть удачным с первого раза, а поиск методом проб и ошибок недопустим.

Трудности непосредственного использования сведений, заимствованных из различных источников, из опыта других специалистов, в данной задаче конструирования без нарушения внутреннего равновесия и согласия между элементами конструкции, достигнутого на предыдущих стадиях конструирования.

Оптимальность параметров и структур при конструировании статична и она легко нарушается при изменении требований и условий производства, эксплуатации и сбыта.

Например, пересмотр, как сейчас повседневно происходит, цен на металлы, материалы, энергоносители может сделать ранее оптимальную конструкцию неоптимальной, не выгодной производителю, и, наоборот, неоптимальную конструкцию – оптимальной.

За последние годы выпущена обширная литература о методике проектирования и конструирования, причем между терминами "проектирования и конструирования" принципиального различия нет.

Термин "проектирование" обычно применяется к процессу создания крупных систем, например, говорят о проектировании предприятий, цехов, комплексов, систем связи и систем машин и отдельных машин.

Термин "конструирование" применяется, когда речь идет о создании малых технических систем: механизмов, агрегатов, сборочных единиц, деталей.

Наиболее распространен среди специалистов взгляд на проектирование, как на совокупность трех стадий: анализа, синтеза и оценки.

Проектирование машин – сложный многогранный процесс, сочетающий творческий поиск, теоретический анализ, эксперимент, организацию и управление.

Схема процесса разработки конструкторской документации машин и выпуска ее опытного образца приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема процесса разработки конструкторской документации

На всех стадиях проектирования машины должен проводится детальный технико-экономический анализ, основная цель которого заключается в обеспечении обоснованного выбора экономически оптимальных технических решений в области состава и режимов операций, проектирования оснастки и специального технологического оборудования. В настоящее время осуществляется маркетинг, готовящийся к выпуску машины.

Любая локальная техническая задача проектирования, независимо от ее содержания, в своем развитии проходит следующие стадии: подготовительную, творческую, аналитическую, оптимизирующую и принятие решения. Общая схема процесса решения локальной технической задачи приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Общая схема решения технической задачи

На подготовительной стадии уточняется техническая задача, собирается необходимая научно-техническая информация и экономическая информация об аналогичных образцах и способах их изготовления. Эта информация подвергается систематизации и анализу. Последующий анализ данной информации должен дать предварительные соображения о лимите производственных затрат, соответствующих требуемым показателям качества и технического уровня.

На творческой стадии осуществляется поиск технических решений и их эскизная проработка. От разработчика на этой стадии требуется проявление творческих способностей; любознательности не только к своей сфере деятельности, но и к другим областям науки и техники; настойчивости в продумывании своих идей; творческого воображения и внутренней дисциплины.

Для процесса инженерного творчества и изобретательской деятельности наиболее характерными являются следующие три фактора:

1.Очень часто человек (инженер), стоящий на пороге оригинального решения, в течение некоторого времени, как кажется, ничего не делает, а только впитывает информацию, сравнительно бесплодно работает и увлекается посторонними делами. Этот период известен как "вынашивание идеи".

2.Решение трудной задачи или возникновение оригинальной идеи часто происходит совершенно неожиданно (в виде "озарения") и приводит к коренному изменению постановки задачи. В результате этого сложная задача нередко становится простой.

3.Врагами изобретательства являются негибкость мышления и склонность принимать желаемое за действительное, т.е. некритическое отношение к своей идеи.

4.3.3 Новые методы

Таким образом мы познакомились с сущностью традиционных методов решения технических задач при создании новой техники. Но этот традиционный способ становится слишком простым для условий непрерывно возрастающей сложности искусственной среды (системы машин). В этом случае основная трудность заключается в том, что проектировщик утрачивает контроль над ходом разработки, т.к. используемый им уже системный метод уводит его все дальше от искомого решения и в этом случае проектировщик системы лишен возможности сконцентрировать свое внимание на одном частном вопросе, чтобы решать задачу по частям.

Использования традиционных методов в этом случае может полностью заблокировать возможность новаторства на уровне систем.

Для исключения этого нужны уже проектировщики и организаторы широкого профиля, творческое мышление которых базировалось бы на глубоких теоретических и практических знаниях об изменениях от общественных движений до конструкции деталей.

Точно так же будут нужны и новые методы, которые обеспечивали бы достаточный объем информации для принятия решений на каждом из этих уровней.

Все новые методы (нетрадиционные) решения системных технических задач направлены на то, чтобы заставить проектировщика "думать вслух", позволить другим людям ознакомиться с процессами мышления, которые до сих пор протекали у него в голове, объектировать процесс проектирования.

Что же за новые методы проектирования появились при решении этих усложненных технических задач?

4.4. Нетрадиционные методы решения технических задач

Интенсифицировать процесс творческого поиска новых решений можно с помощью следующих новых нетрадиционных методов:

– "мозговой штурм" или "мозговая атака";

– синектики;

– морфологического анализа;

– ликвидации тупиковых ситуаций;

– автоматизированное проектирование (конструирование) с помощью ЭВМ.

Рассмотрим каждый из указанных нетрадиционных методов поиска новых технических решений.

4.4.1 Метод "мозгового штурма" или "мозговой атаки"

Метод "мозгового штурма" или "мозговой атаки" был разработан американским предпринимателем и изобретателем, бывшим морским офицером А. Осборном в 1953г. и представляет собой эмпирически найденный эффективный способ решения творческих задач. Он применяется для получения новых идей в науке, технике, административной и торговой деятельности.

При выполнении этого метода стимулируется группа лиц (специалистов) к быстрому генерированию большого количества идей. Метод основан на том, что одна высказанная мысль базируется на другой, комбинируется с ней и порождает следующую, в результате возникает поток идей.

Методом "мозговой атаки" можно рассматривать любую проблему, если она достаточно просто и ясно сформирована. Этот метод можно использовать на любой стадии проектирования машины. Его можно также использовать для генерирования информации, а не идей.

Основные правила проведения мозгового штурма:

1)Задачу последовательно решают 2 группы специалистов по 4-15 человек в каждой (оптимальный состав 6-12).

Первая группа только выдвигает различные идеи – это группа "генераторов идей". Вторая группа "эксперты" - по окончании штурма выносит суждение о ценности выдвинутых идей.

2)Основная задача группы "генераторов" - выдать за отведенное время как можно больше идей, причем все эти идеи высказываются без доказательств за 2 минуты.

3)При генерации идей запрещена всякая критика, не только явная словесная, но и скрытая – в виде скептических улыбок, мимики, жестов.

4)Экспертизу и отбор идей после окончания процесса генерирования следует проводить очень внимательно. При их оценке надо тщательно продумывать все идеи, даже те, которые считаются несерьезными, нереальными или абсурдными.

5)Процессом решения задачи управляет руководитель "штурма", который обеспечивает соблюдение всех условий и правил.

6)Если задача не решена в ходе штурма, можно повторить процесс решения (однако лучше это сделать с другим коллективом).

Установлено, что чем сложнее проблема, тем длительнее реакция на поставленную задачу, дающая положительный эффект.

Поэтому наилучшие результаты данный метод дает при рассмотрении проблем организационного характера (например, найти новое применение выпускаемой продукции, найти новую форму рекламы и т.д.) и при решении относительной несложных изобретательских задач.

Описанный выше метод часто называют методом прямой мозговой атаки. При постановке задачи перед творческой группой должны быть четко сформированы два момента:

- что в итоге желательно получить или иметь;

- что мешает получению желаемого.

Известен так же метод обратной мозговой атаки, цель которого заключается в составлении наиболее полного списка недостатков рассматриваемого объекта, на который обрушивается ничем не ограниченная критика. Объектом обратной мозговой атаки может быть конкретное изделие или его узел, технологический процесс и т.д., что должно устранить дефекты (недостатки) в существующем поколении технического объекта при наличии научно-технического потенциала.

Порядок проведения такого метода во многом сходен с первым методом.

4.4.2 Метод синектики

Метод синектики является дальнейшим развитием и усовершенствованием мозгового штурма. Она предложена американским изобретателем и исследователем методологии творчества В.Дж. Гордоном в 1952-1959г.г.

Слово "синектика" в переводе с греческого означает "совмещение разнородных элементов".

Цель метода синектики заключается в том, чтобы направить спонтанную деятельность мозга и нервной системы на исследование и преобразование проектной проблемы.

Для этого тщательно подбирают группу специалистов в качестве самостоятельного "отдела разработок", которому передают сложные проблемы, которые не может решить основная организация, и предоставляется ей достаточное время для их решения.

Этот метод применяется для решения достаточно конкретных технических задач. Например, надо найти более простой принцип устройства приводов с постоянной скоростью вращения вала; предложить усовершенствованный нож для открывания консервных банок; предложить конструкцию застежки для костюма космонавта.

Структура современного синтетического процесса такова:

1.Формируют проблему в общем виде.

2.Начинают анализ проблемы.

3.Ведут генерирование идей решений проблемы в той ее формулировке, на которой остановлен выбор.

4.Далее производят перенос обнаруженных в процессе генерации новых идей и выявляют их возможности.

5.Заключительная часть синтектического заседания – развитие и максимальная конкретизация идеи, признанной наиболее удачной, - ведется уже на специальной техническом языке. При этом следует заметить, что большую часть времени синектора посвящают инженерному анализу, изучают и обсуждают полученные результаты, консультируются со специалистами, экспериментируют, а когда решение созрело, занимаются поисками наилучших способов его реализации.

4.4.3 Метод морфологического анализа

Метод морфологического анализа разработан в 1942г. швейцарским астрономом Ф. Цвикки, который в этот период был привлечен к участию в ранних стадиях ракетных исследований и разработок в американской фирме "Аэроджет инжиниринг корпорейшин".

Сущность анализа заключается в совершенствовании технической системы, у которой выделяют несколько характерных признаков, затем составляют список его различных конкретных вариантов, альтернатив, технического выражения.

Признаки с их альтернативами можно располагать в форме таблицы, называемой морфологическим ящиком или морфологической матрицей, картой, таблицей. Такое расположение признаков позволяет лучше представить поисковое поле. Перебирая всевозможные сочетания альтернативных вариантов выделенных признаков, можно выявить новые варианты решения задачи, которые при простом переборе могли быть упущены.

Морфологическая карта примерно может иметь вид, приведенный на рисунке 3.

Рисунок 3 – Морфологическая карта

Данный метод предусматривает выполнение работ в пять этапов:

1.Точная формулировка задачи (проблемы), подлежащей решению.

2.Составление списка всех морфологических признаков, т.е. всех важных характеристик объекта, его параметров, от которых зависит решение проблемы и достижение основной цели.

3.Раскрытие возможных вариантов по каждому морфологическому признаку (характеристике) путем составления материала.

4.Определение функциональной ценности всех полученных вариантов.

5.Выбор наиболее рациональных конкретных решений.

Наиболее целесообразно использовать морфологический анализ при решении конструкторских задач общего плана: при проектировании машин и поиске компоновочных или схемных решений.

4.4.4 Метод ликвидации тупиковых ситуаций

В ходе решения той или иной технической задачи может возникнуть тупиковая ситуация, тогда в этом случае прибегают к методу ликвидации тупиковых ситуаций.

В этом случае необходимо найти новые направления поиска, если очевидная область поиска не дала приемлемого решения. Для этого следует неоднократно возвращаться к "первичной функциональной потребности".

Рекомендации в решении проблемы, к примеру, могут быть следующими:

а) разделить на части техническую задачу и выделить основную проблему;

б) предположить, что проблема решена и идти от последствий назад к основной структуре;

в) использовать метод аналогии, т.е. какую-то физическую модель:

рассмотреть биологические системы;

изучить возможные метафоры.

г) сделать "дикие" или произвольные предположения;

д) использовать систему отрицания.

Работая над проблемой по ликвидации тупиковых ситуаций при решении технических задач надо помнить, что безвыходных ситуаций не бывает.

4.4.5 Автоматизированное проектирование (конструирование) с помощью ЭВМ

Все приведенные выше методы решения технических задач, проектирования основаны на том, что все преобразования описаний объекта осуществляет человек, т.е. мы имеем дело с неавтоматизированным проектированием.

С появлением современных ЭВМ (особенно персональных компьютеров) стало распространяться автоматизированное проектирование, предполагающее выполнение некоторых проектных операций и процедур во взаимодействии человека с ЭВМ.

Под проектной процедурой понимается формализованная совокупность действий, оканчивающаяся проектным решением.

Проектная операция составляет часть проектной процедуры. Алгоритм ее выполнения остается неизменным для ряда проектных процедур.

Проектное решение составляет промежуточное или конечное описание объекта, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования.

Комплекс средств автоматизации проектирования включает различные виды обеспечения: техническое, математическое, программное, информационное, лингвистическое, методическое, организационное.

Технические средства делятся на следующие группы:

- подготовка данных и их ввод;

- передача данных;

- программная обработка данных;

- отображение и документирование данных;

- архива проектных решений.

Математическое обеспечение составляет совокупность математических методов моделей и алгоритмов проектирования. По существу оно оказывается основой для разработки программного обеспечения. Математическая модель представляет условие задачи в виде уравнений, неравенств. Алгоритм образует совокупность предписаний для решения задачи.

Лингвистическое обеспечение объединяет языковые средства проектирования: термины и определения, правила формализации естественного языка, методы сжатия и развертывания текстов, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования.

Язык проектирования образует символы и правила построения из них описаний объекта проектирования. Различают входной, базовый и выходной языки. Входной язык предназначен для представления задания на проектирование. Базовый – для дополнительных сведений к первичному описанию объекта проектирования, проектных решений, описаний проектных процедур и их последовательности. Выходной язык представляет проектное решение в форме, удовлетворяющей требованиям его дальнейшего применения.

Среди многих языков проектирования ранее чаще использовался язык фортран – IV, в дальнейшем стали создаваться специальные языки и среди них язык представления графической и текстовой информации (ЯГТИ). В настоящее время создаются новые языки диалога человека с ЭВМ. Они приближаются к обычному разговорному языку, и будут передаваться в форме устной речи.

Методическое обеспечение является основным по отношению ко всем остальным. Чаще всего оно включает: компоненты математического и лингвистического обеспечения, и определяет теории, методы, способы, математические модели, алгоритмы, языки, терминологию, нормативы, стандарты и другие данные, обеспечивающие автоматическое проектирование.

Информационное обеспечение составляет совокупность сведений, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования.

Организационное обеспечение объединяет документы, устанавливающие структуру проектной организации и ее подразделений, связи между ними, их функции а так же форму представления результата проектирования и порядок рассмотрения проектных документов.

Совокупность перечисленных выше различных видов обеспечения образует комплекс средств автоматизации проектирования.

Таким образом начатая в 70-х годах прошлого столетия вторая стадия научно-технического прогресса (НТП) в сфере проектирования завершается созданием систем автоматизированного проектирования, т.е. компьютерной технологией проектирования на основе известных принципов действия и технических решений.

Первая же стадия НТП, отнесенная к рубежу XIX-XX веков, характеризовалась возникновением технологии разработки проектно-технической документации.