Морфологический анализ технических систем Ф. Цвикки

Размещено на http://allbest.ru/

Введение

Морфологический анализ разработан в 1942 г. швейцарским астрономом Ф. Цвикки, который в этот период был привлечен к участию в ранних стадиях ракетных исследований и разработок в американской фирме «Аэроджет инжиниринг корпорейшн». С помощью метода морфологического ящика, наиболее разработанного из всех методов морфологического анализа, созданных Ф. Цвикки, ученому удалось за короткое время получить значительное количество оригинальных технических решений в ракетостроении, чем он очень удивил ведущих специалистов и руководителей фирмы. Многие из предложенных решений были впоследствии реализованы.

В дальнейшем Ф. Цвикки создал еще несколько методов: систематического покрытия ноля поиска; отрицания и конструирования; экстремальных ситуаций; сопоставления совершенного с дефектным и метод обобщения. Но все эти методы могут рассматриваться как дополнения к морфологическому ящику, наиболее универсальному и перспективному методу, основанному на морфологическом подходе.

1. Понятие и сущность морфологического анализа

Сам морфологический анализ опередил эру системных исследований и стал первым ярким примером системного подхода в области изобретательства. По мнению Ф. Цвикки, предметом метода морфологического ящика является проблема вообще (техническая, научная, социальная и т. д.). Он допускает, что точная формулировка проблемы автоматически раскрывает наиболее важные параметры, от которых зависит ее решение, и каждый такой параметр может быть разбит на ряд значений. Причем любое сочетание значений параметра считается принципиально возможным. Основной принцип такого анализа, в частности метода морфологического ящика, состоит в систематическом исследовании всех мыслимых вариантов, вытекающих из закономерностей строения (т. е. морфологии) совершенствуемой системы.

Морфологический метод исследования был применен к целому ряду систем: по утверждению Ф. Цвикки, более 70 крупных промышленных фирм используют его при решении разнообразных научно-технических задач. В результате применения своего метода сам Ф. Цвикки создал серию оригинальных изобретений, в том числе баллистические устройства, оригинальные силовые установки, взрывчатые вещества, способ комбинированной фотографии и т. д.

Сущность анализа заключается в следующем. В совершенствуемой технической системе выделяют несколько характерных для нее структурных или функциональных морфологических признаков. Каждый признак может характеризовать, например, какой-то конструктивный узел системы, какую-то ее функцию, какой-то режим работы системы, т. е. параметры или характеристики системы, от которых зависит решение проблемы и достижение основной цели.

По каждому выделенному морфологическому признаку составляют список его различных конкретных вариантов, альтернатив, технического выражения. Признаки с их альтернативами можно располагать в форме таблицы, называемой морфологическим ящиком, что позволяет лучше представить себе поисковое поле. Перебирая всевозможные сочетания альтернативных вариантов выделенных признаков, можно выявить новые варианты решения задачи, которые при простом переборе могли быть упущены.

2. Стадии проведения морфологического анализа

морфологический ящик реактивный двигатель

Метод предусматривает выполнение работ в пять этапов:

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

Если первоначально ставится вопрос об одной конкретной системе, метод непосредственно обобщает изыскание на все возможные системы с аналогичной структурой и в итоге дает ответ на более общий вопрос. Например, необходимо изучить морфологический характер всех видов транспортных средств и предложить новую эффективную конструкцию устройства для транспортирования по снегу -- снегохода.

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

Точная формулировка задачи и определение класса изучаемых систем (устройств) позволяют раскрыть основные признаки или параметры, облегчающие поиск новых решений. Применительно к транспортному средству (снегоходу) морфологическими признаками могут быть: А--двигатель, Б--движитель, В--опора кабины, Г -- управление, Д -- обеспечение заднего хода и т. д.

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

Каждая из n характеристик (параметров, морфологических признаков) обладает определенным числом k_i различных вариантов, независимых свойств, форм конкретного выражения. Например, для снегохода варианты: A₁ -- двигатель внутреннего сгорания, А₂ -- газовая турбина, А₃--электродвигатель, А₄--реактивный двигатель и т. д.; B₁ -- воздушный винт, Б₂ -- гусеницы, Б₃ -- лыжи, Б₄-- снегомет, Б₅ -- шнеки и т. д.; B₁ -- опора кабины на снег, В₂ -- на двигатель, В₃ -- на движитель и т. д. Сочетание одного из возможных вариантов морфологического признака с другими от каждого признака дает одно из возможных технических решений.

Структура технической системы может быть выражена морфологическими признаками (например, в приведенном выше примере--формулой АБВГД...), но сочетание их конкретных вариантов (например, А1 Б2 B1 Г3 Д2) --лишь одно конкретное из множества технических решений, вытекающих из закономерностей строения системы.

Совокупность всех возможных вариантов, каждого из перечисленных морфологических признаков, выраженная в виде матрицы, дает возможность определить полное число решений в этом случае:

Если в приведенном выше примере ограничиться только названными морфологическими признаками, то число возможных вариантов решений будет определяться следующим образом:

N=4X5X3X...X...

Если построить n-мерное пространство (где п-- количество морфологических признаков) и на каждой из осей, принадлежащей одному из признаков, отложить все возможные его варианты, то получим «морфологический ящик» (название удачное для трехмерного пространства, т. е. для трех признаков). В каждой точке его, характеризуемой п конкретными координатами, находится одно возможное техническое решение.

Очень важно, чтобы вплоть до данного момента не ставился вопрос о практической осуществимости и ценности того или иного варианта решения. Такая преждевременная оценка всегда наносит ущерб беспристрастному применению морфологического метода. Однако сразу после получения всех возможных решений можно сопоставить их с любой системой принятых критериев.

4. Определение функциональной ценности всех полученных вариантов решений.

Это наиболее ответственный этап метода. Чтобы не запутаться в огромном числе решений и деталей, оценка их характеристик должна проводиться на универсальной и, по возможности, простой основе, хотя это не всегда легкая задача.

Должны быть рассмотрены все n вариантов решений, вытекающих из структуры морфологической таблицы, и проведено их сравнение по одному или нескольким наиболее важным для данной технической системы показателям.

5. Выбор наиболее рациональных конкретных решений.

Нахождение оптимального варианта может осуществляться по лучшему значению наиболее важного показателя технической системы.

3. Применение морфологического анализа

Морфологический анализ создает основу для системного мышления в категориях основных структурных признаков, принципов и параметров, что и обеспечивает высокую эффективность его применения. Он является упорядоченным способом исследования, позволяющим добиться систематического обзора всех возможных решений данной крупномасштабной проблемы. Метод строит мышление таким образом, что генерируется новая информация, касающаяся тех комбинаций, которые при бессистемной деятельности воображения ускользают от внимания.

Хотя морфологическому образу мышления внутренне присуще убеждение, что все решения могут быть реализованы, при этом, естественно, многие из них оказываются сравнительно тривиальными. Трудность применения морфологического анализа заключается в том, что до сих пор не существует какого-либо действительно практического и универсального метода оценки эффективности того или иного варианта решения. Если бы он был найден, то можно было, исходя только из теоретических соображений, выбирать оптимальную комбинацию элементов для каждого проектируемого устройства. Таким образом, процесс изобретения был бы заменен непосредственным анализом альтернативных вариантов, что по силам и ЭВМ. Чаще всего, конечно, оказывается, что рабочие характеристики устройства, в основу построения которого положена неизвестная ранее комбинация элементов, являются более или менее неопределенными.

Наиболее целесообразно использовать морфологический анализ при решении конструкторских задач общего плана: при проектировании машин и поиске компоновочных или схемных решений. Например, требуется предложить новый тип индивидуального транспорта в условиях города, выбрать рациональную конструкцию подводного (донного) транспорта и т. д. Метод может применяться для выполнения простых изобретений, а также при прогнозировании развития технических систем, при определении возможности патентования в том или ином абстрактном виде комбинаций основных параметров с целью «заблокировать» будущие изобретения.

Суть метода лучше всего пояснить на простом и наглядном конкретном примере, приводимом самим Ф. Цвикки. Он детально рассмотрел полный спектр всех возможных видов реактивных двигателей (по состоянию на 1951 г.), работающих на химическом топливе в однородной среде (вакуум, воздух, вода, земля). Анализ был проведен в такой последовательности.

1. Точно сформулировать задачу: нужна новая эффективная конструкция реактивных двигателей.

2. Составить список всех морфологических признаков технической системы, характерных параметров, от которых зависит решение проблемы:

P₁--ресурсы топлива (химического агента),

Р₂ -- способ создания тяги,

Р₃ -- тип регулирования тяги,

Р₄ -- способ регулирования тяги,

Р₉ -- агрегатное состояние топлива, и т. д.

Было выбрано всего 11 признаков. К сожалению, не существует да и не может быть надежного способа проверки полноты такого списка, о чем свидетельствует пример самого Ф. Цвикки. Он не учел, например, признак скорости сгорания топлива: в дозвуковом режиме истечения струи или в сверхзвуковом. А между тем воплощением сверхзвуковых скоростей сгорания является прямоточный воздушно-реактивный двигатель, который в настоящее время рассматривается как одно из наиболее перспективных решений.

3. Раскрытие возможных вариантов по каждому морфологическому признаку и составление морфологической матрицы.

P₁--ресурсы топлива: P₁¹--запасенное на борту ракеты, P₁² -- поступающее из внешней среды;

P₂--способ создания тяги: P₂¹--за счет внутренних источников, P₂²--за счет внешних источников;

P₃--тип регулирования тяги: Р₃¹--за счет собственных источников, Р₃²--за счет внешних источников, Р₃³--отсутствие регулирования;

Р₄--способ регулирования тяги: Р₄¹ -- внутреннее регулирование, Р₄² -- внешнее регулирование;

Р₇--агрегатное состояние среды: Р₇¹--безвоздушное пространство, Р₇²--воздух, Р₇³--вода, Р₇⁴--земля;

P₉--агрегатное состояние топлива: Р₉¹ -- газообразное, Р₉²-- жидкое, P₉³ -- твердое.

Рис. 1. Морфологическая матрица реактивных двигателей на химическом топливе.

При составлении списка альтернатив нужно смелее вводить фантастические варианты и возможности (например, варианты P12 и Р22) --это намного расширяет возможности метода, повышает его эвристическую ценность и способствует увеличению числа принципиально новых, оригинальных решений. Окончательно полученная морфологическая матрица имеет вид, представленный на рис. 1.

4. Определение функциональной ценности всех возможных вариантов решений.

Необходимо выписать и оценить возможные варианты решений, выражаемые, например, формулами:

 и т. д.

Простой перебор приводит к громадному числу таких вариантов. Число условных реактивных двигателей в нашем примере равно:

2•3•4•2•4•2•2•4•3•2•2=36864,

Таблица 1. Морфологическая матрица вариантов конструкции электродвигателя

Примечание: ПМ - с постоянным магнитом; ЭМ - с электромагнитом.

Безусловно, некоторые из этих вариантов заведомо оказываются противоречивыми. И имеющиеся внутренние ограничения снижают первоначальную цифру до 25344. Даже если отбросить признак работы двигателей в различных средах, их остается примерно 10000. Первая оценка, сделанная Ф. Цвикки в 1943 году на основе меньшего числа параметров, дала только 576 возможных вариантов, в числе которых, однако, были правильно учтены тогда еще секретные немецкие самолет-снаряд «ФАУ-1» и ракета «ФАУ-2» с импульсными двигателями.

5. Выбор наиболее перспективных решений.

В приведенной на рис.1 морфологической матрице сочетание обведенных кружками вариантов признаков относится к межпланетному прямоточному воздушно-реактивному двигателю (ПВРД). Ф. Цвикки отмечает, что особый интерес представляет наличие в ней варианта P₁², показывающего, что химическая энергия полностью извлекается из окружающей среды и что ракетный двигатель не нуждается в запасах топлива на борту.

Еще один более простой пример иллюстрирует применение морфологического метода к исследованию возможных вариантов конструкции электродвигателя.

Анализ показывает, что ротор электродвигателя может быть пассивным и немагнитным, пассивным постоянным магнитом или же электромагнитом. В последнем случае он может питаться постоянным или переменным током, быть однополюсным или многополюсным. Точно такие же варианты возможны и для статора. Имеется 6 различных вариантов для ротора и столько же для статора, а для электродвигателя--36 (табл. 1). Однако если рассмотреть каждый из них, то окажется, что только 12 вариантов решения (сочетаний) позволяют получить отличный от нуля крутящий момент.

Одной из наиболее интересных позиций в табл.1 является «униполярный» электродвигатель переменного тока (такой вариант обнаружен только в результате использования морфологического подхода). Он будет иметь то преимущество перед более известной конструкцией двигателя постоянного тока (или фарадеевским диском), что необходимые для его работы большие токи при низких напряжениях можно будет получать с помощью обычного трансформатора.

Заключение

Создавая морфологический анализ, Ф. Цвикки основное внимание уделял не столько совершенствованию уже созданных им методов, сколько разработке новых, которые обеспечат их различные практические приложения.

В целях повышения эффективности и расширения возможности применения морфологического метода и в нашей стране ведется его дальнейшее изучение и доработка. Так, В. М. Одриным и С. С. Картавовым проведен глубокий теоретический анализ метода, сформулированы основные понятия и термины, предложены новые принципы и подходы к анализу и синтезу технических систем.

Список литературы

1. Г. С. Альтшуллер. Найти идею. Введение в теорию решения изобретательских задач. -- 3-е изд., дополненное. -- Петрозаводск: Скандинавия, 2003. -- с.240.

2. Чус А.В., Данченко В.Н. Основы технического творчества. Киев, 1983 г. - 183 с.

3. Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука. Теория решения изобретательных задач. Советское радио, 1979 год, 116 с.

4. http://millennium2002.narod.ru/

Размещено на Allbest.ru