Главная    Инструменты    Методы функционально-структурного исследования объектов
Обзор методов создания новых технических решений

МЕТОДЫ ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТРУКТУРНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ

Метод морфологического ящика

Метод морфологического ящика разработан в 1942 г. швейцарским астрономом Ф. Цвикки [19]. Ему же принадлежит ряд методов морфологического исследования, из которых метод морфологического ящика является наиболее разработанным и широко применяемым. Основная его цель состоит в построении всех возможных вариантов реализации исследуемого объекта, как правило, для определения возможных границ его изменения.

Метод выполняют в следующем порядке.

1. Дают точную формулировку проблемы, подлежащей решению. На этом этапе очень важно привести общее описание исследуемого объекта.

2. Формируют (выявляют) важные характеристики (свойства, функции) объекта, совокупность которых обеспечивает существование и функционирование объекта, решение проблемы.

3. Раскрывают возможные варианты реализации каждой характеристики (свойства, функции).

4. Совокупность полученных вариантов сводят в морфологическую матрицу или морфологический ящик.

5. Выбирают решения из морфологического ящика и определяют их функциональную ценность.Метод морфологического ящика в том виде, как его предложил Ф. Цвикки, практически представляет собой морфологический анализ. Процедуры выбора решений из полученного массива не разработаны. Такие исследования в настоящее время проводят ряд исследователей. В первую очередь можно сослаться на работы В. М. Одрина и С. С. Картавова [20]. Применение метода морфологического ящика находит на стадии реализации выбранного направления решения проблемы в то время, когда конкретное техническое средство окончательно еще не выбрано. Метод используют также при прогнозировании развития технических систем, в работе экспертов, определяющих новизну технических решений.

Метод морфологического ящика послужил основой для многих методов поиска, появившихся впоследствии в различных странах. В СССР метод развивают В. М. Одрин и С. С. Картавов.

Блок-схема одной из модификаций метода приведена на рис. 1.

Метод матриц открытия

Этот метод разработан в 1955 г. во Франции. Его автор А. Моль [21]. В СССР до настоящего времени широкого признания не получил. В данном обзоре информация по методу приведена по работе [22].

Метод матриц открытия близок к известному морфологическому методу Ф. Цвикки, но имеет свои специфические особенности. Как и в методе Ф. Цвикки, он преследует цель систематически исследовать все мыслимые варианты, вытекающие из закономерностей строения (морфологии) усовершенствуемого объекта и изучения поля возможных технических решений. Но метод А. Моля дает возможность гораздо проще ограничить рассматриваемые варианты приемлемым их числом. В наиболее простом виде суть метода матриц открытия заключается в построении матрицы, в которой пересекаются два ряда характеристик (вертикальный и горизонтальный). Ряды могут быть упорядоченными и неупорядоченными, выражены количественно и качественно. Если в морфологическом ящике все выбранные характеристики относятся к объекту, то у А. Моля часть из них может относиться, например, к условиям производства, потребления, эксплуатации и т. п.

Имеет смысл перечислить основные этапы метода матриц открытий.

1. Составление перечней элементов, свойств, объектов, фактов, идей и т. п.

2. Выработка поля анализа. Сначала определяют проблему в наиболее общей, абстрактной форме и уточняют ее. Затем строят структуру этого поля, т. е. производят размещение характеристик выбранных элементов, свойств и т. п. по рядам.

3. Определение пересечения рядов и обнаружение возможных комбинаций. Выясняют поле возможных решений, что является целью исследования. Каждая ячейка матрицы представляет связь двух характеристик.

4. Рассмотрение всех возможных решений с целью обнаружения новых допустимых комбинаций.

5. Изучение выбранных комбинаций и выбор рациональных решений. Сам по себе метод матриц открытия еще не дает сколько- нибудь законченных технических решений. Комбинация двух характеристик может быть решением лишь очень простых задач. Чаще всего этот метод служит для системной организации имеющегося материала и дает отправные пункты для дальнейшего исследования, определяя имеющиеся резервы и узкие места. Комбинации характеристик дают простор для плодотворных ассоциаций, постановки проблем. А. Моль считает, что метод матриц открытия является всеобщим, приемлемым во всех областях познания и деятельности. Наибольшие практические результаты от его применения получены при разработке новых видов продукции. Следует отметить, что в СССР развивают и используют похожие методы (например, метод десятичных матриц поиска Р.П. Повилейко [23] и метод фантограмм Г. С. Альтшуллера [24]).

Десятичные матрицы поиска

Р. П. Повилейко - инженер-исследователь из Новосибирска предложил десятичные матрицы поиска (ДМП). Это матрицы, где в горизонтальных и вертикальных рядах приведены качественные показатели, учитываемые при проектировании, и типовые приемы решения задач [23]. Представляет интерес выбор приведенных показателей и приемов. Автор проанализировал все имеющиеся в литературе приемы решения задач (их оказалось 428) и показатели (129). Из них в результате сопоставительного анализа были выделены 95 показателей и 223 недублированных приема. По итогам группировки было сформировано 10 равномощных групп показателей и приемов. Ниже приведены основные показатели, учитываемые при проектировании техники.

1. Геометрические показатели (длина, ширина, высота, площадь, занимаемые конструкцией в плане и площади сечений, объем, форма).

2. Физико-механические показатели (вес конструкции и отдельных ее элементов, материалоемкость, прочность и иные качества используемых материалов, в том числе новых материалов, коррозиестойкость и т. д.

3. Энергетические показатели (вид и мощность энергии, привод, КПД и т. д.).

4. Конструктивно-технологические показатели (технологичность изготовления машины, ее транспортабельность, жесткость, сложность или простота конструкции и др.).

5. Надежность и долговечность (факторы чисто технического характера - техническая надежность и долговечность, а также соотнесенные конструкции такие факторы, как защищенность от вредных воздействий среды; все факторы, связанные с участием человека в работе, вынесены в другую группу показателей).

6. Эксплуатационные показатели (производительность, точность и качество работы машины, стабильность ее параметров, степень готовности к работе и т. д.).

7. Экономические показатели (себестоимость машины и отдельных ее элементов, трудозатраты на производство и эксплуатацию, расходы, потери и т. д.).

8. Степень стандартизации и унификации.

9. Удобство обслуживания и безопасность (все показатели, связанные с охраной труда и техникой безопасности, эргономикой и инженерной психологией, удобством изготовления, работы, контроля и ремонта, требованиями комфортабельных условий труда и высокой культуры производства).

10. Художественно-конструкторские (все показатели, которые придают формам машины высокие художественно-конструкторские достоинства - тектоничность, масштабность, цельность, гармоничность, пропорциональность и др.).

Далее приведены основные группы типовых приемов технического творчества.

1. Неология (от латинского "знание нового", "новизна") заключается в использовании проектировщиком процессов, конструкций, форм, материалов, их свойств и пр., новых для данной отрасли техники, но не новых вообще.

2. Адаптация предусматривает приспособление проектировщиком известных процессов, конструкций, форм, материалов и их свойств для конкретных условий труда.

3. Мультипликация заключается в умножении функций и деталей системы, причем умноженные системы остаются подобными друг другу, однотипными.

4. Дифференциация заключается в разделении функций и элементов системы: ослабляются функциональные связи между элементами системы, повышается степень свободы их взаимоперемещения, разносятся элементы конструкции и рабочие процессы в пространстве и во времени.

5. Интеграция предполагает объединение, совмещение, сокращение и упрощение функций и форм элементов и системы в целом: сближаются элементы производства, конструкции и рабочие процессы в пространстве и во времени.

6. Инверсия заключается в обращении функций, формы и расположения элементов системы в целом.

7. Импульсация охватывает группу конструкторско-изобретательских приемов, связанных с изменением прерывности протекающих процессов.

8. Динамизация предполагает, что характеристики, параметры элементов системы или всей системы должны быть изменяющимися и оптимальными на каждом этапе процесса или на новом режиме.

9. Аналогия заключается в отыскании и использовании сходства, подобия в каком-либо отношении систем (предметов и явлений), в целом различных.

10. Идеализация предполагает представление идеального решения, от которого следует отталкиваться.

Перечисленные выше показатели и приемы сводят в матрицы. Затем проводят последовательный анализ выбранного объекта. Цель работы - занести в каждую клетку матрицы (она соответствует одному показателю и одному приему) новое техническое решение. Автор указывает, что его методика эффективна при решении "полярных" задач, т. е. связанных с изменением внешнего вида, дизайна объекта, а также с коренным изменением объекта, например поиском новых принципов реализации выполняемых им функций.

Метод комбинаторики

Дальнейшее свое развитие метод морфологического анализа Ф. Цвикки нашел в работах советского инженера Ю. М. Чяпяле [25].

Основная новизна метода комбинаторики в широком использовании законов и методов, применяемых для поиска сочетаний. В этом методе дан новый подход к анализу объекта. Ключевыми моментами подхода являются введенные оси: а) понятие рабочего органа; б) понятие рабочей среды; в) учет агрегатного состояния объекта (его частей) и среды; г) признак геометрической формы рабочего органа; д) признаки структуры рабочего органа (взаимное расположение частей, подвижность частей); е) признаки взаимной связи частей рабочего органа на макро- и микроуровнях.

Внешне морфологическую матрицу записывают не в виде горизонтальных рядов, раскрывающих варианты исполнения осей, а в виде вертикальных.

При комбинаторном синтезе используют перечень идей усовершенствуемого объекта. Цель применения метода комбинаторики та же, что и метода морфологического анализа, т. е. поиск широкой области исследования. Автор метода указывает, что решения, найденные в матрице, легче описать с помощью формул изобретений, так как в них есть основные составные части, необходимые в таком описании.

При построении комбинаторной матрицы в ней выделяют графы для составных частей рабочего органа. Рабочая среда также входит в рассмотрение как составной элемент рабочего органа. Затем описывают агрегатное состояние, характеристики материала рабочего органа, его геометрические формы, структуры, комбинации подвижных и неподвижных частей, взаимосвязи частей рабочего органа.

Комбинаторный метод не ставит вопрос о получении единственного решения, а стремится к получению множества изобретений.

Автор метода показывает, как можно справиться с этой работой, в основном выбрасывая оси, не проводя рассмотрение по другим осям или вводя подчинение осей (т. е. для привода рабочего органа следует строить варианты только после определения его агрегатного состояния и т. д.). Отмечается, что метод комбинаторики позволяет не только получить множество решений, но также наметить более широкую область для исследования.

Широкое распространение получили методы, основанные на функциональном подходе к совершенствуемому или проектируемому объекту. Ниже будет рассмотрена группа таких методов. В процессе поиска решений, реализующих функции, в них используют самые различные подходы.

Метод ступенчатого подхода к решению задачи

Метод разработал английский ученый А. Фрейзер в 1969 г. Он предложил новый подход к решению сложных проблем, возникающих в технике. По своей сути это метод анализа причин, приведших к нежелательному эффекту [26]. Автор разделяет все задачи на два класса: а) задачи по защите (работа в рамках существующей системы) и б) задачи по разработке (построение новой системы).

Процесс решения задачи состоит из следующих этапов.

1. Определение конечных целей.

2. Выяснение причин.

3. Определение признаков.

4. Определение препятствий.

5. Поиск средств для преодоления препятствий.

6. Построение модели задачи.

7. Проверка правильности решения.Как видно из данного короткого описания, шесть первых этапов - это сбор информации. А. Фрейзер дает подробное описание этапов, причем для задач различных типов они выполняются также различно. Метод может быть полезен на стадии постановки и уточнения задачи.

Метод функционального изобретательства

Автор этого метода К. Джоунс опубликовал свою работу в 1970 г. Метод разработан на базе анализа развития технических систем [27]. Основные этапы его выполнения следующие.

1. Определение функций каждого конкретного элемента существующего решения.

2. Определение основной функции, для которой другие являются вспомогательными.

3. Определение любых изменений основной функции, которые могут привести к совершенствованию данной конструкции.

4. Объединение результатов 2 и 3-го этапов для нахождения

новой (измененной) основной функции.

5. Поиск альтернативных решений для деления новой основной функции на вспомогательные и закрепление каждой из них за конкретным элементом конструкции.Автор утверждает, что метод функционального изобретательства предназначен для работы в условиях существенного изменения среды функционирования технических систем, т. е. в условиях, когда они уже не могут удовлетворительно выполнять свои функции.

В рамках метода предполагается совершать целенаправленный и системный поиск возможных изменений технической системы на основе существующих физических знаний. Интерес при анализе данного метода вызывает и то, что работа практически сразу проходит вокруг основной функции, иными словами, совершается довольно экономно. В какой-то мере первая часть метода похожа на построение диаграммы.

Программа проектирования Фанге

Программа проектирования Э. Фанге [28] состоит из шести основных этапов.

1. Определение основного направления.

2. Определение способа оценки результата.

3. Усовершенствование.

4. Поиск оптимального варианта.

5. Окончательное оформление.

6. Доказательство преимуществ нового решения.Имеет смысл рассмотреть суть каждого этапа более подробно..

Первый этап, по мнению Э. Фанге, можно было бы охарактеризовать вопросом: "О чем же, собственно, идет речь?". Он отмечает, что на этапе постановки задачи обычно нет полной уверенности в правильности выбранного направления, корректности и необходимости решения задачи. Отсутствие исследований по данной проблеме, даже неточности в формулировке задачи могут иметь очень серьезные последствия. Так, на одной из крупных фирм, выпускающих малогабаритные электродвигатели, обнаружили, что упаковка двигателей требует много ручного труда. Конструкторы поэтому задались целью: спроектировать и создать автомат для упаковки двигателей в небольшие, но удобные ящики. Когда автомат был готов, решили выяснить отношение заказчиков к новой упаковке. Оказалось, что 90% клиентов являются оптовыми закупщиками, для которых поштучная упаковка товара нежелательна. Упаковочный автомат был создан напрасно.

Второй этап заключается в определении способа оценки результата. Как правило, оценку полученных результатов многие склонны оставлять на самый последний момент. Эта процедура предполагает выявление определенных преимуществ нового объекта в отношении способа его производства, затрат на такое производство или в отношении спроса на рынках сбыта. Однако, как чаще всего бывает, в производственных условиях трудно выявить большинство из этих преимуществ. Целесообразно поэтому выявление набора критериев, учитываемых на промежуточных этапах работы.

Третий этап предусматривает усовершенствование. Автор не останавливается подробно на особенностях творческого процесса, указывая лишь, что на этапе можно использовать самые различные методы поиска новых технических решений.

Четвертый этап заключается в поиске оптимального варианта. Э.Фанге считает важным выделить в своей программе этот этап в связи с недостаточным вниманием разработчиков к развитию найденных идей, внешнему оформлению решений, удобству обращения с ними.

Пятый этап предусматривает окончательное оформление.

Э. Фанге обращает особое внимание на координацию работ между различными отделами, участвующими в выполнении заданий, а также на подготовку отчета о проделанной работе, дает рекомендации по проведению данного этапа.

Шестой этап заключается в доказательстве преимуществ нового решения. Известно, что многие хорошие предложения не используются только из-за неумения авторов обосновать их полезность и эффективность. Как правило, можно говорить о том, что появление подобных предложений практически наносит ущерб, поскольку потребовало определенных затрат труда, а возможно, и иных ресурсов, которые в результате не окупились. Э. Фанге уделяет немало внимания процессу доказательства преимуществ нового решения и дает ряд рекомендаций. Некоторые из них приведены ниже.

Имеет смысл написать для других краткий, но содержательный отчет. Значение такого отчета и впечатление от него в несколько раз усилятся, если к нему приложить для наглядности опытный образец или макет, отражающий внешнее оформление нового изделия.

Следовало бы постараться заблаговременно предугадать или просто выяснить, какие сомнения или возражения может вызвать данное изобретение. Нужно быть готовым ответить на них еще до появления таких сомнений или возражений.

Непосредственные начальники и другие вышестоящие лица способны задать массу таких вопросов, на которые трудно ответить кратко. Надо" поэтому научиться отвечать сначала на суть вопроса и лишь после приводить доводы и доказательства, а не наоборот. Этому, в частности, можно научиться у газет, где только в заголовках содержится до 90% действительно полезной информации.

Защищая свою точку зрения, не следует давать волю чувствам, поскольку любое проявление высокомерия, надменности вызывает, как правило, яростное сопротивление, даже несмотря на очевидность ценности новой идеи. Следовательно, уважение мнений оппонентов тоже не в малой степени служит залогом успеха.

Следует постоянно поддерживать тесный контакт с лицом или лицами, непосредственно заинтересованными в данном изобретении, для выяснения их мнений, требований, пожеланий, чаяний. Чем больше доля их участия в изобретении, тем больше шансов на успех.

Как видно из приведенных рекомендаций, Э. Фанге особое внимание уделил не собственно процессу создания нового, а этапам, предшествующим творческому и идущим после него.

Процесс конструирования по Байтцу

Конструирование по методу западногерманского исследователя В.Байтца [29] включает в себя три основные фазы: конструирование концепции, проектирование и выработка решения. Каждая фаза делится на ряд рабочих шагов (см. рис. 2). Предложенная последовательность интересна прежде всего четким чередованием этапов синтеза и анализа информации.

В этом плане методика В. Байтца является полной. Совершенствование данной методики ведется прежде всего в направлении адаптации ее к возможностям вычислительной техники.

Алгоритмический избирательный метод конструирования по каталогам

Метод предложен исследователем из ФРГ К. Ротом [30]. Важнейшими составляющими его являются алгоритмическая методика, задающая последовательность и правила выполнения этапов работы, и каталоги, служащие информационным фондом метода. Формированию каталогов К. Рот уделяет большое внимание. Выбор информации из каталогов в процесе работы осуществляют с помощью специально определенных в каждом конкретном случае критериев выбора.

Собственно процесс конструирования разделен на несколько основных фаз формулирование задания, поиск концепции функ ционирования, формирование внешнего облика изделия Каждая фаза состоит из ряда рабочих шагов (см рис 3) В целом метод ориентирован на синтез новых конструкций на основе функционального подхода Функцию в методе понимают как характерис тику, определяющую действие объекта В качестве возможных действий выделяют излучение, изменение, накопление вещества, энергии или информации и управление этими процессами

Метод К Рота предполагает многоцикловость работы

Системное конструирование по Ханзену

(метод организующих понятий)

Метод разработал в 1953 г исследователь из ГДР Ф Ханзен [31] В рамках метода определены основные этапы процесса конструирования По Ф Ханзену процесс разработки нового объекта состоит из следующих операций: определение главной идеи задания, общей для всех решений, комбинирование всеми привлекаемыми элементами с целью получения возможных решений,

определение недостатков, присущих каждому решению, и поиск возможностей уменьшения их последствий, поиск решений с минимальным числом недостатков, создание основ для возможной практической реализации Интерес вызывает предложение Ф Ханзена использовать перечисленные выше операции на четырех этапах

1 Предварительное установление основного принципа,

2 Поиск решения элементов и комбинирование принципов действия,

3 Критика ошибок и улучшение принципов действия,

4 Оценка эффективности оптимального (выбранного) принципа действияФ Ханзен дает ряд указаний по организации работы с использованием его метода и выполнению основных операций Так, главную цель задания нужно формулировать как можно более абстрактно, чтобы не отсечь возможные решения Постановка задания включает в себя формулирование общих функций (функции цели), ограничения и информационный массив (фонд используемых элементов)

На этапе комбинирования проводят методический поиск исполнения тех или иных элементов При этом для каждого элемента (составная часть, узел) отыскивают организующее понятие (как правило, на функциональном уровне), которое затем развивают до уровня конкретной реализации Оценку сформулированных организующих понятий производят на основе следующего критерия данное понятие (функция) должно содержаться в каждом возможном решении

Подобной оценке Ф Ханзен уделяет большое внимание, считая ее важным элементом в уменьшении числа развиваемых вариантов По его мнению, тщательная отработка организующего понятия позволяет на ранних стадиях исследования уйти от слабых вариантов, неперспективных направлений работы

Методическое конструирование по Роденакеру

Информация о методе В Г Роденакера (ФРГ) дается здесь по содержащему ее источнику [32]

Базой подхода в методическом конструировании по В.Г.Роденакеру является предположение, что в основе всех машин и аппаратов лежит так называемое физическое происхождение, которое должно выполнять определенную функцию. В.Г.Роденакер рассматривает конструирование как процесс обмена информацией, протекающий от абстракции к конкретности Он уточняет и абстрагирует постановку задания (превращение исходного продукта в готовый) через установление функциональной структуры, ищет для этого физические зависимости, которые затем предопределяют конструктивные зависимости (см рис 4)

В Г Роденакер развил свои методические рекомендации на примере машин и аппаратов, преобразующих вещества При этом должны выполняться следующие этапы

1 Разъяснение постановки задания или потребных зависимостей

2 Установление функциональной структуры или логических зависимостей

3 Установление физического происхождения или физических зависимостей

4 Установление места действия или конструктивных зависимостей

5 Алгоритмизация и программирование логических, физических и конструктивных зависимостей.

6 Подавление помех и ошибок.

7 Установление общей конструкции

8 Критерии выбора решения.Характерным признаком этого метода конструирования является то, что В. Г. Роденакер при установлении функциональной структуры на втором этапе формулирует только функции, составляющие законченные формально-логические системы. Это функции: разделение, связь для энергии, вещества и (или) истечение сигналов технических систем и управление.

После выявления логических зависимостей отыскивают физические, устанавливающие возможную реализацию. В.Г.Роденакер работает с физическими эффектами и уравнениями, причем прежде всего он оценивает временной ход процесса Для получения информации предлагает прежде всего эксперимент.

С целью дальнейшего конкретизирования В. Г Роденакер ищет конструктивные зависимости, установленные на четвертом этапе через так называемые конструктивные отличительные черты места действия, которые находятся на площади действия, пространства действия и предметов действия, а также действующего движения (наличный вид энергии) Затем следует установление конструктивных принципов через расчеты, учитывающие конкретный физический процесс, место действия и выбор материалов, соответствующих требованиям (пятый этап)

Особое внимание В. Г. Роденакер уделяет подавлению воздействия возмущений, следствием которого является ухудшение количества и качества получаемых решений (шестой этап).

На переднем плане методического конструирования по В. Г. Роденакеру стоит понятие физического происхождения На основе этого он занимается не только методической переработкой конкретных конструктивных заданий, но также методически "изобретает" новые аппараты и машины, отвечая на вопрос "Для чего можно применить известный физический эффект"

Следует отметить, что в 60-70-х годах методика В Г. Родена-кера приобрела в ФРГ большую известность.

Синтез изделий по Тьялве

Процесс создания изделий по Э. Тьялве (Дания) предполагает последовательное выявление требуемых свойств (функций), манипулирование с основными свойствами (характеристики) в процессе проектирования, а затем оценку реализованных свойств [33]

В качестве набора основных свойств или характеристик изделия, выбираемых под конкретную функцию, автор предлагает рассматривать следующие: структура, форма, материал, размеры, поверхность.

Основную функцию изделия Э. Тьялве рассматривает как способ, с помощью которого "выходные данные определяют посредством входных данных". Построение основной функции или системы основных функций - важнейший элемент процесса синтеза. Его рекомендуют фиксировать в виде древовидной схемы "функция-средство" (т. е. в виде дерева целей - средств).

Автор считает важным последовательность работы, четкое определение производимых на каждом этапе действий. Он особо отмечает предназначенность каждого этапа для получения определенной информации. Забегание вперед, чрезмерная детализация и уточнение параметров на ранних стадиях работы запрещены.

Автор придает большое внимание выработке системы критериев, их постоянному применению. "В начальной точке синтеза изделия встречаются два вида выходных данных, вытекающих из анализа проблемы, а именно: с одной стороны, определение требуемой функции (основная функция), а с другой, перечень требуемых свойств, которые могут быть описаны, как критерии оптимального изделия. Критерии для оптимального изделия используются на протяжении всего процесса конструирования в качестве руководящих данных и для управления каждым шагом при принятии решений".

В методе особо выделено значение формы изделия, составляющих его элементов и рекомендованы определенные приоритеты. Если эстетические критерии имеют важное значение, то конструкция элементов должна быть приспособлена к общей конструкции. При преобладании технических и экономических критериев преимущество принадлежит конструкции элементов. Важнейшим моментом конструирования формы элементов изделия служит рассмотрение функциональных поверхностей.

На каждом этапе синтеза изделия проводится общая последовательность действий: поиск решений, изучение решений, оценка и выбор решений для дальнейшей работы.

Поиск решений рекомендуется производить с помощью интуитивной или системной генерации идей. При этом цель поиска решений на каждом этапе "состоит в исследовании области, образуемой множеством теоретически возможных решений" [33].

Отмечается, что, несмотря на теоретическую бесконечность возможных решений, основные их типы все-таки должны войти в сферу изучения. Это позволит логически выбрать лучший вариант.

Важным является тезис Э. Тьялве о снижении интуитивности при переходе от этапа к этапу и о необходимости учета на последних этапах большого числа взаимно взвешенных критериев. Критериям оценки придают то же значение, что и генерируемым идеям. "Следовательно, окончательный результат (изделие) зависит от двух фундаментально различных факторов: во-первых, от генерируемых идей и, во-вторых, от критериев, с помощью которых решается вопрос, какие идеи должны быть выбраны".

В работе Э. Тьялве [33] приведены конкретные методические средства, позволяющие проводить синтез количественно определенной' структуры, общей формы и формы элементов. Варианты количественно определенных структур ищут с помощью манипулирования графическими моделями, в которых элементы предельно упрощены Основная цель - найти оптимальное сочетание размеров и взаимного расположения элементов относительно друг друга

С целью повышения эффективности применяют систематический перебор вариантов Отмечается, что полные и обозримые перечни можно составить лишь в том случае, когда число элементов не велико В этом плане в качестве основы для построения предлагается выбирать наиболее важные элементы Их число целесообразно иметь в пределах 2-3. К каждому решению следует относиться как в представляющему определенную категорию решений

Метод конструирования Коллера

При рассмотрении метода конструирования, предложенного западногерманским исследователем Р Коллером, целесообразно обратить внимание на три составные части метода: последовательность конструирования изделий, структура основных операций и элементарных функций, фонд физических эффектов [34]

В этом методе упорядочен процесс конструирования, т е выделены определенные этапы, для каждого установлен план работы Результатом на этапе является совокупность решений, из которых с учетом выделенных критериев выбирают лучшее решение. Оно и поступает на вход следующего этапа. В наиболее общем виде процесс конструирования может быть, в свою очередь, разделен на три части функциональный синтез, качественный синтез и количественный синтез.

Более дробное деление процесса приведено на рис 5

Последовательность конструирования изделий называется автором физико-алгоритмической методикой конструирования. Следует иметь в виду, что для каждого из приведенных этапов разработаны правила и методики его выполнения. В процессе описания этапов Р Коллер указывает на их комплексность, понимая под ней полноту рекомендаций или полноту алгоритмизации Приведенные на рис 5 цифры комплексности выполнения этапов относятся к концу 70-х годов.

Основная цель физико-алгоритмической методики - поиск как можно большего числа решений поставленной задачи для выбора оптимального в конкретных условиях. С этой целью производят полное абстрагирование от реальной конструкции анализируемого изделия, концентрируют внимание на функции, которую это изделие должно выполнять. Все технические системы Р Коллер делит на три класса: машины, осуществляющие преобразование энергии, аппараты, осуществляющие преобразование веществ, и приборы, осуществляющие преобразование информации. Процесс исследования разделен на отдельные этапы.

Постановка задачи включает описание цели, условий и ограничений Первым шагом на пути от постановки задачи к конкретному решению служит формулировка общей функции системы, подлежащей разработке.

Под этой формулировкой понимают установление свойств и состояний входных и выходных величин в соответствии с заданной целью и с учетом ограничивающих условий. Входные и выходные параметры системы представляют собой функцию цели, которую необходимо достичь. Получив представление о связях "причина-следствие" общей системы (функции), их заменяют различными сочетаниями определенных подфункций и только после этого занимаются поиском путей реализации отдельных подфункций.

Важной особенностью метода Р. Коллера является последующее расчленение выделенной структуры подфункций на отдельные элементарные функции (неделимые элементы в функциональном анализе технических систем). Каждая элементарная функция характеризуется, кроме выполняемой операции, еще и преобразуемой величиной. Если же отвлечься от параметра на входе и параметра на выходе, то остается чистая операция (подобно математической) или, по определению Р.Коллера, основная операция. Таким образом, все функциональное многообразие технических систем сводится к 12 основным операциям. Каждая операция имеет два значения: прямое и обратное (см. рис. 6).

В дополнение к основным физическим операциям Р. Коллер использует известные алгебраические (сложение, вычитание, умножение, деление, возведение в степень, извлечение корня, отыскание логарифма, интегрирование, дифференцирование) и логические ("и", "или", "не") операции.

В общем случае для реализации требуемой функции можно предложить несколько комбинаций элементарных функций.

После разработки структуры элементарных функций осуществляют фазу конструирования, включая выбор физических эффектов и их носителей, реализующих отдельные основные операции. Этот выбор производят с помощью разработанного Р.Коллером указателя физических эффектов и явлений, представляющего собой систематизированный подбор физических эффектов для отдельных основных операций. Такой специализированный информационный справочник - хорошее вспомогательное средство для реализации определенных элементарных функций.

Таким образом, предложенная Р. Коллером последовательность операций позволяет перейти от постановки задачи к принципиальному решению методически (с помощью правил). В результате появляется возможность говорить об автоматизации с помощью ЭВМ отдельных этапов конструирования.

Вепольный анализ

В 1974 г. коллективом советских авторов (Г. С. Альтшуллер, И. Б. Фликштейн, А. Г. Шахматов) был предложен метод решения технических задач на структурном уровне [35]. В качестве основы при создании метода было положено понятие "веполя", т. е. минимальной модели технической системы, описываемой обобщенными элементами (вещества) и связями, взаимодействиями между ними (веполи). Принято, что минимальная работоспособная техническая система должна включать в себя три элемента (два вещества и одно поле или два поля и одно вещество).

Суть вепольного анализа состоит в представлении технической системы, данной в условиях задачи в "вепольной" форме, и достройки ее до полного веполя или в манипуляциях с имеющимся веполем по заданным правилам.

В настоящее время делаются попытки развить представления, используемые в рамках вепольного анализа, с целью определения закономерностей развития технических систем.


Главная    Инструменты    Методы функционально-структурного исследования объектов