МЕТОДЫ ЛОГИЧЕСКОГО ПОИСКА РЕШЕНИЙ
Д. Л. Троицкий
Наиболее разработанным методом логического поиска решений технических задач, получившим широкое распространение в нашей стране, является алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ), созданный в СССР Г. С. Альтшуллером. Эта работа была начата в конце 40-х годов и продолжается до сих пор. За это время было разработано около 20 модификаций метода. Сейчас в систему средств поиска решений технических задач кроме собственно АРИЗа, являющегося центральным эвеном этой системы, входят так называемый вепольный анализ, закономерности развития технических систем, классификация качественных уровней изобретений, а также информационный фонд, включающий в себя фонд приемов разрешения технических противоречий, фонд физических эффектов и явлений, систему стандартов на решение технических задач.
Сущность концепции Г. С. Альтшуллера заключается в том, что решение изобретательских задач рассматривается как процесс разрешения технического и физического противоречия, лежащего в его глубине и проявляющегося в процессе функционирования какой-либо технической системы. При этом предполагается, что развитие системы подчиняется определенным закономерностям, выявленным в результате анализа большого массива патентной информации.
АРИЗ состоит из нескольких частей, разделенных на шаги, которые выполняются по определенным правилам. Первая часть алгоритма предназначена для выбора решаемой задачи (формулировка прямой и обратной задач, проверка возможных обходных путей решения и т. д.), так как любая проблемная ситуация может служить источником целого ряда задач. На этой же стадии предусмотрено выявление возможных обходных путей разрешения проблемной ситуации, а также прямое применение стандартов на решение изобретательских задач. Кроме того, на этой же стадии предусмотрено проведение серии мысленных экспериментов с помощью оператора РВС (размер, время, стоимость). Далее, решая задачу по шагам АРИЗа, изобретатель должен проанализировать проблемную ситуацию и построить корректную модель задачи, сформулировать идеальный конечный результат, отражающий основное требование к будущей технической системе, выявить технические и физические противоречия, лежащие в основе изобретательской задачи. Разрешаться эти противоречия могут путем применения составных частей информационного фонда АРИЗа в зависимости от характера конкретной задачи. Наконец, заключительные части АРИЗа предназначены для проверки полученного решения на его соответствие принципу идеального конечного результата, закономерностям развития системы и другим критериям, а также для развития полученного решения. Специальная часть АРИЗа предназначена для методологического анализа хода решения изобретательской задачи.
Рассмотрим применение АРИЗа на примере следующей учебной задачи: «.При проведении испытаний некоторого объекта нужно осуществить взаимодействие с ним металлического шарика диаметром 10 мм при скорости 7-10 км/с. Из всех средств ускорения наиболее эффективным является использование кумулятивных зарядов, с помощью которых шарик разгоняется без разрушения до скорости 3-5 км/с. Однако при превышении скорости 5 км/с шарик разрушается. Как быть?»
Для решения этой задачи воспользуемся модификацией АРИЗ-82. Исходя из того, что в нашем примере дана задача, а не проблемная ситуация, мы можем не использовать первую часть АРИЗа и начать решение сразу с формулировки модели задачи. Перед решением любой задачи полезно воспользоваться оператором РВС, проведение экспериментов по которому заключается в поочередном мысленном изменении параметров объектов изобретательской задачи — размеров, времени действия и стоимости процесса от нуля до бесконечности. Экспериментируя таким образом, изобретатель имеет возможность мысленно проследить, как меняется характер ситуации .в процессе указанных изменений, что приводит к более глубокому проникновению в сущность задачи. Кроме того, эти эксперименты способствуют резкому снижению уровня психологической инерции вследствие «раскачки» воображения. Иногда такие эксперименты провести довольно трудно, а в случае изменения стоимости— они могут быть вообще безрезультатными.
В нашем случае будем мысленно менять площадь сечения шарика до нуля: шарик — металлическое зерно — атом металла. Оказывается, что с уменьшением размера шарика он становится все более прочным. Металлическое зерно (микрокристалл металла) таким способом разрушить очень сложно, а атом металла — невозможно. Увеличивая размер шарика до бесконечности (шарик — воздушный шар — планета), мы приходим к выводу, что при воздействии газовой струи на объект такого размера будет повреждена только его малая часть. Следовательно, шарик разрушается не вследствие достижения той или иной скорости, а по причине анизотропного воздействия мощного механического импульса. Рассматривая изменение времени процесса до нуля, можно заметить, что фактически этому условию соответствуют условия нашей задачи. Мысленно, изменяя время процесса до бесконечности, приходим к идее постепенного разгона шарика большой серией возрастающих по величине импульсов. Мысленное же варьирование стоимости этого процесса в нашем случае не дает каких-либо результатов.
Теперь запишем условия задачи, не используя специальных терминов. Это делается в целях снижения уровня психологической инерции мышления изобретателя. Струя газа разгоняет шарик до скорости 3-5 км/с, но при скорости 5 км/с он разрушается.
Затем нужно выделить конфликтующую пару элементов. В нее должны входить изделие и инструмент, т. е. элемент системы, с которым непосредственно взаимодействует изделие. Инструмент по условиям задачи может иметь два состояния, нужно взять то из них, которое обеспечивает наилучшее осуществление основной функции системы. В данном случае в качестве инструмента выбираем сильную газовую струю, а в качестве изделия — шарик.
Стандартная формулировка модели задачи с указанием конфликтующей пары и технического противоречия будет выглядеть следующим образом: имеется сильная газовая струя и шарик; струя может разогнать шарик до требуемой скорости, но разрушит его. Выберем из элементов, входящих в модель задачи, тот, который можно изменить. Если в системе нет легко изменяемых элементов, следует указать «х-элемент».
Сформулируем идеальный конечный результат: «х-элемент» сам предохраняет шарик от разрушения.
В зоне, не справляющейся с требованием этого результата, находится поверхность шарика, на которую действует сильный импульс газовой струи.
Используя метод моделирования «маленькими человечками» (ММЧ), построим схему конфликтующих взаимодействий в оперативной зоне. Суть метода в том, что эта зона системы представляется в виде множества маленьких человечков, причем все это множество человечков нужно разделить на группы, действующие по условиям задачи: сам шарик состоит из множества однородных человечков, взявшихся за руки, а газовую струю можно представить в виде другой группы человечков, врезающихся в первую группу и стремящихся разбить ее на части.
Теперь мы можем записать стандартную формулировку физического противоречия на макроуровне: поверхность шарика должна быть проницаемой для газовой струи, чтобы она могла воздействовать на шарик (разогнать его до требуемой скорости), и не должка быть проницаемой, чтобы предохранить его от разрушения.
Стандартная формулировка противоречия на макроуровне будет выглядеть следующим образом: в оперативной зоне должны быть мелкие частицы, не дающие проникнуть частицам газовой струи к поверхности шарика и разрушить его, и должны быть частицы, дающие возможность воздействовать на шарик, чтобы обеспечить его разгон газовой струей.
Теперь для преобразования схемы конфликта таким образом, чтобы «маленькие человечки» действовали, не вызывая этого конфликта, приходит мысль о том, что для решения задачи нужна третья группа человечков, которая а момент столкновения двух первых групп сдавливает со всех сторон первую группу человечков (шарик), не давая ей разъединиться.
Решение этой задачи, полученное в результате ее анализа, состоит в нанесении на поверхность металлического шарика определенного слоя взрывчатого вещества, которое взрывается во время действия сильной газовой струи. Газообразные продукты взрыва равномерно сжимают шарик, предохраняя его от разрушения в момент взаимодействия с газовой струей.
Приведенная в настоящей статье задача предлагалась в течение ряда лет в качестве учебной задачи на занятиях в Московском общественном институте технического творчества и патентоведения при МГС ВОИР. До изучения АРИЗа в большинстве случаев (около 90%) слушатели предлагали слабые решения этой задачи, например постепенный разгон шарика большой серией импульсов, в то время как после изучения АРИЗа почти 80% слушателей приходило к приведенному в настоящей статье контрольному ответу. Важно отметить, что идея решения задачи может возникнуть на разных стадиях: и в процессе применения оператора РВС, и в ходе формулировки технических и физических противоречий, и при проведении серии мысленных экспериментов. Эти идеи нужно записывать, но прекращать решение задачи, не доведя его до конца по шагам АРИЗа, не рекомендуется, так как можно упустить какое-либо сильное решение.
Еще один пример. Эффективность очистки промышленных газов от S02 в распыливающих абсорберах зависит от степени дисперсности абсорбентов S02 (суспензий или растворов веществ, поглощающих этот газ из потока). Увеличение дисперсности интенсифицирует массообмен в абсорбере, увеличивает степень очистки газа и коэффициент использования абсорбента. Использование суспензий с низкими концентрациями реагента облегчает транспортировку и распыливание, однако требует повышенных затрат энергии и снижает КПД процесса очистки. Повышение концентрации реагента увеличивает вязкость и вследствие этого затрудняет доставку суспензии к распыливающим устройствам, ухудшает качество распыливания.
В основе модели данной задачи лежит конфликт: одно полезное действие не совместимо с другим. В данном случае повышение концентрации реагента несовместимо с сохранением и тем более со снижением значений вязкости суспензий. Конфликтующая пара —две твердые частицы суспензий. Следовательно, здесь налицо противоречие: расстояние между твердыми частицами суспензии должно быть малым, чтобы концентрация частиц была высокой, и должно быть большим, чтобы частицы между собой не взаимодействовали (уменьшить вязкость суспензии).
Поскольку легко изменяемых элементов в системе нет, введем «х-элемент», который, не усложняя систему; предотвращает взаимодействие между частицами суспензии, но сохраняет между ними малое расстояние. Оперативная зона — жидкая прослойка между твердыми частицами суспензии. А в жидкой прослойке между твердыми частицами суспензии должны быть более мелкие частицы, сохраняющие между первыми минимальное расстояние.
Это наводит на мысль ввести в систему поверхностно-активное вещество (ПАВ), которое играло бы роль «смазки» между частицами, снижая тем самым вязкость суспензии. В качестве ПАВ были использованы ацетат натрия, уксусная и адипиновая кислоты. В результате лабораторных испытаний было показано, что суспензии СаСОз, в состав которых входят ПАВ, позволяют значительно снизить вязкость суспензий и расширить диапазон рабочих концентраций твердой фазы.
В заключение несколько слов о фундаментальном методе проектирования, разработанном в начале 60-х годов в Англии Э. Мэтчеттом. Его центральной посылкой является мысль о невозможности создания метода, который был бы одинаково удобен для всех разработчиков новой техники. Поэтому основная цель Э. Мэтчетта состоит в том, чтобы выработать индивидуальную логику у каждого слушателя, научить его понимать и контролировать свой образ мыслей и более точно соотносить его со все(ми аспектами ситуации.
Для этого в методе предусмотрен ряд приемов: применение «режимов» мышления (мышление с нескольких точек зрения, мышление «образами» и др.); подавление склонности к критике с целью развития творческой фантазии; психологическая самонастройка и самоконтроль на отдельных этапах проектирования.
По мнению Э. Мэтчетта, очень важно уметь наблюдать за своим процессом мышления как бы со стороны, что позволяет своевременно корректировать ход решения задачи. Другой принципиально важной посылкой метода является понимание проектирования как процесса выявления и разрешения противоречий в многомерных ситуациях, который должен производиться с учетом объективных закономерностей развития технических систем.
По ряду причин метод Э. Мэтчетта не удается освоить в полном объеме без помощи автора метода. Однако отдельные его части представляют определенный интерес.
ЛИТЕРАТУРА
Альтшуллер Г. С. Алгоритм изобретения. 2-е изд., (исп., доп. — М.: Московский рабочий, 1973.
Альтшуллер Г. С.,Творчество как точная наука.— М.: Советское радио, 1979.
АРИЗ-82. Техника и наука. 1983, N2 2—5.
Джонс Д ж. К. Методы проектирования. 2-е изд., доп.—!М.: Мир, 1986.
Троицкий Д. А., Кузина Н. Н., Зегер К. Е. Исследование реологических свойств водных суспензий кальцийсодержащих сорбентов для очистки дымовых газов от окислов серы. В кн.: Физико-химические проблемы защиты воздушного бассейна от вредных выбросов тепловых электростанций. — М. ПММ ЭНИН им. Г. М. Кржижановского, 1988.