Функциональный анализ изобретательских ситуаций

1. Способ анализа изобретательских ситуаций (ИС), включающий описание состава и принципа действия ТС с указанием нежелательного эффекта, а также выявление из ситуации изобретательских задач (ИЗ), по которому ИЗ выявляют при помощи формулирования функций, ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что, с целью повышения точности и надежности выявления ИЗ, анализ ситуации ведут на основе формулирования и сравнения между собой двух сопряженных функций, полезной (ПФ) и вредной (ВФ), для ТС в целом и ее элементов;

2. Способ по п. 1, ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что для анализа ИС используют сформулированные в статье основные теоремы функционального анализа;

3. Способ по пп. 1, 2, ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что для формулирования сопряженных функций ТС и ее элементов используют предложенные в статье алгоритмы;

4. Способ по пп. 1-3, ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что формулирование сопряженных пар функций элементов системы начинают с элементов, изменяющих состояние объекта ВФ системы, отбирают из них лишь оперативные элементы, т.е. те, формулировки ПФ и ВФ которых не совпадают, и далее рассматривают только элементы, изменяющие состояние оперативных;

5. Способ по пп. 1-4, ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что для определения последовательности решения выявленных ИЗ составляют причинно-следственную цепочку (ПСЦ) из ВФ соответствующих элементов ТС и для первоочередного решения берут ИЗ, связанную с элементом, вредная функция которого начинает ПСЦ.

Логика есть царство неожиданности. Мыслить логически значит непрерывно удивляться. Мы полюбили музыку доказательства. Логическая связь для нас - не песенка о чижике, а симфония с органом и пением, такая трудная и вдохновенная, что дирижеру приходится напрягать все свои способности, чтобы сдержать исполнителей в повиновении.
О. Мандельштам, "Утро акмеизма".

Формулирование изобретательской задачи (ИЗ) на основе расплывчатой изобретательской ситуации (ИС) всегда представляет значительные трудности. В настоящей работе сделана попытка использовать для этой цели понятия сопряженных полезной и вредной функций. Функциональный анализ изобретательских ситуаций (ФАИС) - это средство для уточнения исходной расплывчатой ситуации, а также для выявления, формулирования и классификации вытекающих из нее изобретательских задач. Под изобретательской подразумевается любая ситуация, в которой указан нежелательный эффект. ФАИС может быть использован как самостоятельно, так и в качестве "мостика" между функционально-стоимостным анализом и "решательными" инструментами ТРИЗ: АРИЗ, стандартами [1, 2]

ГЛАВА 1. ФОРМУЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИЙ

Далее предполагается, что любая система состоит из множества взаимосвязанных элементов и выполняет системные функции, не сводящиеся к функциям элементов.

Определение 1. Функция элемента (или системы) - это проявление его свойств, заключающееся в действии по изменению параметров материальных объектов.

Определение 2. Полезной функцией (ПФ) системы является такая ее функция, для выполнения которой система предназначена.

Определение 3. Полезной функцией элемента является такая его функция, которая необходима для выполнения ПФ системы.

Определение 4. Вредная функция (ВФ) системы - это такая ее функция, выполнение которой нежелательно.

Определение 5. Вредная функция (ВФ) элемента - это такая его функция, которая необходима для выполнения ВФ системы

Определение 6. Недостаточное действие - это недостаточное (плохое) выполнение полезной функции или ее невыполнение. Формулировка функции состоит из двух частей: объекта функции и действия функции.

Определение 7. Объектом функции называется материальный объект, параметры которого изменяются в процессе выполнения функции.

Определение 8. Действием функции называется действие по изменению параметров объекта функции.

Примеры формулирования функций: Корабль: ПФ: перемещать груз по воде ВФ: возмущать воду

Смеситель душа: ПФ: смешивать горячую воду и холодную воду (объект 1), (объект 2) НД: плохо регулироровать температуру теплой воды

Фильтр: ПФ: ослаблять внеполосные сигналы ВФ: ослаблять внутри-полосные сигналы.

ГЛАВА 2. ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКАЯ СИТУАЦИЯ

Определение 8. Изобретательская ситуация (ИС) - это описание состава и принципа действия системы с указанием сопряженной пары: полезной функции системы и ее вредной функции.

АЛГОРИТМ ФОРМУЛИРОВАНИЯ СОПРЯЖЕННОЙ ПАРЫ СИСТЕМНЫХ ФУНКЦИЙ (AI)

1. Определить, какому из двух вариантов соответствует рассматриваемая ситуация:

А) Нежелательным эффектом является нежелательное действие (изменение, измерение, обнаружение, наблюдение какого-либо материального объекта).

Б) Нежелательным эффектом является недостаточное или отсутствующее действие.

Примечание. Возможны случаи, когда oдновременно выполняются и А, и Б. Тогда анализ нужно вести для обоих случаев.

А	Б
2.1. Указать объект, который нежелательно измеряется, обнаруживается, наблюдается)	2.1. Указать, какое действие является недостаточным или отсутствующим.
2.2. Указать, какое нежелательное действие по изменению (измерению, обнаружению, наблюдению) этого объекта совершается.	2.2. Указать объект, по отношению к которому должно выполняться это действие.
2.3. Сформулировать ВФ из объекта, найденного на шаге 2.1., и действия, сформулированного на шаге 2.2.	2.3. Сформулировать Недостаточное Действие (НД) из объекта, найденного на шаге 2.2., и действия, сформулированного на шаге 2.1

3. Если нежелательных (недостаточных) действий несколько, то установить их причинно-следственные связи и отобрать ВФ (НД).

4. Если анализ проводился и по части А, и по части Б, то в качестве ПФ взять НД из Б, в качестве ВФ - взять ВФ из А и перейти к шагу 9.

5. Указать, для изменения (измерения, обнаружения, наблюдения) какого материального объекта система предназначена.

6. Указать, какое действие над этим объектом является полезным.

7. Сформулировать Полезные Функции (ПФ) из объектов, найденного на шаге 5, и действий, сформулированных на шаге 6.

8. Если полезных функций несколько, то установить их причинно-следственные связи и отобрать те ПФ, которые заканчивают причинно-следственные цепочки.

9. Записать сопряженную пару системных функций: ПФ и ВФ.

Пример.

При запайке ампул с жидким лекарством внутрь ампулы иногда попадают посторонние частички ("грязь"). Такие ампулы нужно отбраковывать. Для этого ампулы просматривают с целью обнаружения посторонних включений. Но грязь, осевшая на дно ампулы, плохо различима, поэтому ампулу вращают, чтобы "грязь" перешла во взвешенное состояние. Ампулу освещают потоком света, и изображение взвешенных в жидкости частичек грязи наблюдают на экране. Однако при вращении ампулы в жидкости образуется воронка, изображение которой на экране сильно затрудняет обнаружение "грязи" Как быть?

Используем алгоритм А1 для уточнения этой ИС.

1. А, Б

Общая формулировка ИС включает в себя описание состава и принципа действия системы и одно из двух утверждений. Если Вредная Функция есть (случаи А и А, Б в алгоритме А1), то утверждение формулируется так: "Необходимо (указать ПФ), но не (указать ВФ)". Если есть только Недостаточное Действие, а Вредная функция отсутствует (случай Б), утверждение должно быть таким: "Необходимо (указать ПФ), и при этом (указать НД)".

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ФУНКЦИЙ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ

Формулирование и анализ сопряженных пар функций элементов системы необходим для того, чтобы:

• выявить вытекающие из ИС изобретательские задачи (ИЗ);

• определить (заранее, до решения ИЗ), содержит задача физическое противоречие (ФП) или нет;

• определить последовательность решения задач (если их несколько);

• дать четкие формулировки задач.

Для этого после формулирования пар сопряженных функций элементов используют теоремы функционального анализа (глава 4).

Формулирование сопряженных пар функций элементов системы начинают с тех элементов, которые изменяют состояние объектов ВФ системы. Отбирают те элементы, у которых ПФ. и ВФ не совпадают. Это - оперативные элементы (ОЭ). Далее рассматривают только те элементы, которые изменяют состояние ОЭ и т.д. После выявления всех оперативных элементов необходимо повторить процедуру для их подсистем, если таковые имеются. С каждым ОЭ связана своя изобретательская задача.

АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ ФУНКЦИЙ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ (А2)

1. Определить, состояние каких материальных объектов изменяет элемент.

2. Определить, какие действия по изменению состояния материальных объектов, установленных на шаге 1, выполняет элемент.

3. Сформулировать функции элементов из объектов, установленных на шаге 1, и действий, сформулированных на шаге 2.

4. Выбрать из этих функций те, которые необходимы для выполнения ПФ системы.

5. Если выбранных функций несколько, то установить их причинно-следственные связи и отобрать из функций те, которые заканчивают причинно-следственные цепочки. Отобранные функции являются полезными функциями элемента (ПФЭ).

6. Определить, какие еще действия, помимо действий ПФЭ, совершает элемент с объектами ПФЭ. Записать соответствующие функции.

7. Определить, над какими объектами, помимо объектов ПФЭ, выполняются действия ПФ. Записать соответствующие функции.

8. Выбрать те из функций, сформулированных на шагах 6 и 7, которые необходимы для выполнения ВФ системы. Если такие функции есть, то записать их (это - ВФЭ первого рода) и перейти к шагу 11.

9. Определить, есть ли среди функций, сформулированных на шаге 3, такие, которые не совпадают с ПФ и необходимы для выполнения ВФ системы. Если такие функции есть то записать их (это - ВФЭ второго рода) и перейти к шагу II.

10. Определить, является ли ПФЭ необходимой для выполнения ВФ системы. Если да, то записать ВФЭ, совпадающую с ПФЭ (это - ВФ третьего рода).

11. Записать сопряженную пару функций: ПФЭ и ВФЭ.

Проведем анализ функций элементов для приведенного выше примера. Для этого воспользуемся алгоритмом А2.

Краткая формулировка проблемы: необходимо получать изображение ампулы, но не искажать его.

ПФ: получать изображение ампулы

ВФ: искажать изображение ампулы

Состояние изображения ампулы изменяет поток света.

Поток света

1. Ампула с содержимым, экран, изображение.

2. Ампулу, экран - освещает, изображение - создает.

3. Ф1: освещать ампулу освещать экран, Ф3: создавать изображение

4. Ф1, Ф2, Ф3

5. Ф1 →Ф3, ПФ3 = Ф3 Ф2

6. Ф4: искажать изображение

7. -

8. ВФ3 = Ф4

   11. ПФ3: создавать изображение

   ВФ3: искажать изображение

Очевидно, элемент "поток света" является оперативным и с ним связана изобретательская задача (как создавать изображение, не искажая его). Состояние потока света изменяют ампула со всем ее содержимым, источник света и экран.

Ампула с содержимым

1. Поток света.

2. Модулирует (модулировать - значит изменять интенсивность в зависимости от какоголибо параметра), искажает.

3. Ф1: модулировать поток света Ф2: искажать поток света

4. Ф,

5. ПФ3 = Ф1

6. Ф2

7. -

8. ВФ3 = Ф2

   11. ПФз: модулировать поток света ВФ: искажать поток света Видно, что ампула также является оперативным элементом, и с ней связана другая изобретательская задача (как модулировать поток света, не искажая его).

Источник света

1. Электрический ток, световой поток, воздух

2. Электрический ток - проводит, световой поток - порождает, воздух - нагревает

3. Ф1 проводить электрический ток
   Ф2: порождать световой поток
   Фз: нагревать воздух.

4. Ф2

5. ПФ3 = Ф2

6. -

7. -

8. ВФ3 отсутствуют

9. ВФ3 отсутствуют

10. ВФз = ПФз

11. ПФ3 = ВФ3, поэтому элемент "источник света" не является оперативным, и с ним не может быть связана изобретательская задача (см. главу 4.).

Экран

1. Световой поток.

2. Отражает, рассеивает.

3. Ф1: отражать световой поток Фг. рассеивать световой поток

4. Ф1 Ф2

5. ПФ13 = Фь ПФ23 = Ф"

6. - 

7. - 

8. ВФз отсутствуют

9. ВФз отсутствуют

10. ВФ13 = ПФ13, ВФ23 = ПФ23. Элемент "экран" не является оперативным.

Состояние оперативного элемента "ампула" изменяет вращатель.

Вращатель

1. Ампула, воздух.

2. Ампулу - вращает, воздух - возмущает.

3. Ф1: вращать ампулу Ф2: возмущать воздух

4. Ф1

5. ПФ3 = Ф1

6. - 

7. - 

8. ВФ отсутствуют

9. ВФ3 отсутствуют

10. ВФ3 = ПФ3 Элемент "вращатель" не является оперативным

Итак, в результате анализа выявлены два оперативных элемента: световой поток и ампула с ее содержимым. Рассмотрим подсистемы элемента "ампула с содержимым": ампулу, жидкость, частички грязи, воронку.

Сопряженная пара функций для ампулы с содержимым:
ПФ: модулировать поток света
ВФ: искажать поток света

Все перечисленные подсистемы ампулы с содержимым изменяют состояние объекта ВФ "поток света", поэтому последовательность их рассмотрения может быть любой.

Ампула

1. Поток света, жидкость, частички грязи.

2. Поток света - ослабляет; жидкость - удерживает, вращает;

3. частички грязи - удерживает, вращает.

4. Ф1: ослаблять поток света
   Ф2: удерживать жидкость
   Ф3: вращать жидкость
   Ф4: удерживать частички грязи Ф5: вращать частички грязи

5. Ф2, Ф5

6. ПФ13 = Ф2, ПФ23 = Ф5

7. Фз, Ф4

8. Ф4, Фз

9. ВФ13 = Ф4, ВФ23 = Ф3

   11. ПФ13: удерживать жидкость ПФ23: вращать частички грязи ВФ13: удерживать частички грязи : вращать жидкость

Жидкость

1. Частички грязи, ампула, воронка.

2. Частички грязи: отрывает, поднимает, удерживает, вращает; ампулу: смачивает, воронку - образует

3. Ф1: отрывать частички грязи
   Ф2: поднимать частички грязи
   Ф3: удерживать частички грязи
   Ф4: вращать частички грязи
   Ф5: смачивать ампулу
   Ф6: образовывать воронку

4. Ф1, Ф2, Ф3

5. Ф1 -> Ф2 -> Фз. ПФз = Фз

6. Ф1, Ф2, Ф4

7. -

8. ВФз отсутствуют

9. Ф6 ВФ3 = Ф6

   11. ПФз: удерживатель частички грязи ВФ3: образовывать воронку

Частички грязи

1. Поток света, жидкость

2. Поток света - модулируют, жидкость - загрязняют

3. Ф1 модулировать поток света
   Ф2: загрязнять жидкость

4. Ф1

5. ПФ3 = Ф1

6. -

7. -

8. ВФ3 отсутствуют

9. ВФ3 отсутствуют

10. ВФ3 отсутствуют

11. ПФ3: модулировать поток света

    ВФ3 - отсутствует

Воронка

1. Поток света.

2. Модулирует.

3. Ф1: Модулировать поток света

4. ПФ3 отсутствует

5. -

6. -

7. ВФз отсутствуют

8. Ф1; ВФ3 = Ф1

   11. ПФз - отсутствует

   ВФ3: модулировать поток света.

Итак, в процессе анализа нами выявлены пять элементов, у которых ПФ и ВФ не совпадают. Это поток света, ампула, жидкость, частички грязи и воронка. Таким образом, можно сформулировать пять изобретательских задач, решение каждой из которых позволит удовлетврить условиям исходной изобретательской ситуации. Особенности каждой из этих задач и порядок их решения будет определен в главе 4, после рассмотрения теорем функционального анализа, а пока приведем формулировки, задач. Формулировка задачи должна содержать перечисление оперативного элемента и объектов его ПФ и ВФ, формулировки ПФ и ВФ и следующее утверждение: "Необходим такой (указать ОЭ), который бы (указать ПФ), но не (указать ВФ)".

Задача 1.1. Даны поток света и изображение. Поток света хорошо создает изображение, но при этом искажает его. Необходим такой поток света, который создавал бы изображение, но не искажал его.

Задача 1.2. а) Даны ампула, жидкость и частички грязи. Ампула хорошо удерживает жидкость, но удерживает и частички грязи, что недопустимо. Необходима такая ампула, которая удерживала бы жидкость, но не удерживала частички грязи,

б) даны ампула, частички грязи и жидкость. Ампула хорошо вращает частички грязи, что необходимо для того, чтобы перевести их во взвешенное состояние, но вращает и жидкость, что недопустимо. Необходима такая ампула, которая вращала бы частички грязи, но не вращала жидкость.

Задача 1.3. Даны жидкость, частички грязи и воронка. Жидкость хорошо удерживает частички грязи во взвешенном состоянии, но образует воронку. Необходима такая жидкость, которая удерживала бы частички грязи во взвешенном состоянии, но не образовывала воронку.

Формулировки задач, связанных с частичками грязи и воронкой, имеют особенности, связанные с тем, что половинка сопряженной пары функций (в одном случае- ВФ3, в другом- ПФ3) отсутствует. В случае отсутствия ВФ3 (элемент выполняет только ПФ) задачу получают путем навязывания этому элементу дополнительной ПФ, которую он должен выполнять, чтобы устранить ВФ своей надсистемы. В случае отсутствия ПФ3 (элемент выполняет только ВФ) ставится задача по исключению вредной функции этого элемента.

Задача 1.4. Даны частички грязи и поток света. Частички грязи хорошо модулируют поток света, но не переводят себя во взвешенное состояние. Необходимо, чтобы частички грязи хорошо модулировали поток света и сами переводили себя во взвешенное состояние.

Задача 1.5. Даны поток света и воронка. Воронка модулирует поток света, что недопустимо. Необходимо устранить либо воронку, либо ее вредную функцию.

ГЛАВА 4. ТЕОРЕМЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО АНАЛИЗА

Предыдущие главы были посвящены формулированию пар сопряженных функций: полезной функции и вредной функции для системы в целом и ее элементов. В данной главе будут сформулированы основные теоремы функционального анализа. С помощью этих теорем по заданным парам сопряженных функций можно определить, какого рода задачи содержит рассматриваемая ситуация, выявить эти задачи, определить (заранее, до решения задачи), сдержит ли задача физическое противоречие (ФП) и определить, в какой последовательности нужно решать полученные задачи.

Определение 10. Оперативное пространство - это совокупность элементов системы (в частном случае - один элемент (ОЭ) с их связями, при устранении ВФ которой ПФ системы сохраняется. Оперативное пространство (ОП) - это более широкое понятие, чем оперативная зона (ОЗ) и включаете себя последнюю в качестве частного случая.

Определение 11. Оперативная зона - это такое оперативное пространство, которое содержит только одну изобретательскую задачу. Сформулированные ниже лемма и теоремы даются без доказательств. Для доказательств использован аппарат математической логики в сочетании с основными понятиями АРИ3. Интересующихся адресую к тексту моей работы с аналогичным названием, находящейся в ЧОУНБ.

Лемма 1. Устранение ВФ оперативного пространства (ВФоп) необходимо и достаточно для устранения ВФ системы (ВФС) при сохранении ее ПФ (ПФС) Теорема 1. Для того, чтобы совокупность элементов была оперативным пространством, необходимо и достаточно, чтобы формулировки ПФ и ВФ этой совокупности элементов были различны.

Обозначим через Дпф и Двф действия полезной и вредной функций, а через Опф и Овф - объекты этих функций.

Очевидно, что возможны лишь три случая, когда ПФ и ВФ различаются:

1. Дпф≠Двф Опф=Овф (объекты ПФ и совпадают, а действия их различны)

2. Дпф=Двф' Опф≠Овф (действия ПФ и ВФ совпадают, а объекты их различны)

3. Дпф≠Двф' Опф≠Овф (и объекты, и действия ПФ и ВФ различны)

Во всех случаях для оперативного пространства может быть сформулирована и решена изобретательская задача по устранению ВФс. Однако каждый из этих случаев имеет свои особенности, которые позволяют получить ценную информацию с ситуации и задаче на этапе предварительного анализа. Смысл этих особенностей раскрыт в следующих теоремах.

Теорема 2. Если формулировки ПФс и ВФс различаются таким образом, что:

а) действия этих функций различны, а объекты совпадают, или

б) объекты этих функций различны, а действия совпадают, то в такой изобретательской ситуации обязательно найдется хотя бы одна изобретательская задача, содержащая физическое противоречие.

Теорема 3. Если формулировки ПФс и ВФс различаются таким образом, что и объекты, и действия этих функций различны, то в этой ситуации обязательно найдется хотя бы одна задача, не содержащая физического противоречия, или содержащая ФП, разрешимое во времени или пространстве.

Теорема 4. Если формулировки ПФ и ВФ оперативной зоны различаются таким образом, что:

а) действия этих функций различны, а объекты совпадают, или

б) объекты этих функций различны, а действия совпадают, то сформулированная в этой оперативной зоне изобретательская задача содержит физическое противоречие.

Теорема 5. Если формулировки ПФ и ВФ оперативной зоны различаются таким образом, что и объекты, и действия этих функций различны, то сформулированная в этой оперативной зоне изобретательская задача не содержит физического противоречия, или содержит ФП, разрешимое во времени или в пространстве.

Одна из теорем, а именно - теорема 1, уже использована нами при выявлении задач, вытекающих из ИС. На основании этой теоремы мы отбирали оперативные элементы - те, для которых формулируются задачи. Теорема 1 позволяет отсеять элементы, не связанные с изобретательскими задачами, а таких элементов в любой системе большинство. Особенно отчетливо это видно в сложных радиотехнических системах. В рассмотренных нами ситуациях тоже встречались такие элементы. Это источник света, экран и вращатель в ситуации 1. Таких элементов было бы значительно больше, если бы мы расширили пределы технической системы, а ведь четких границ между системой и надсистемой зачастую не существует. Теорема 1 позволяет четко отграничить круг рассматриваемых в данной ситуации элементов. Именно на ней основана использованная нами последовательность анализа - от объекта ВФс к ОЭ, объектом функций которых он является и т.д.

Теоремы 2 и 3 используются для получения дополнительной информации об изобретательской ситуации. Так, на основании Теоремы 2 можно утверждать, что в ситуации, рассмотренной нами в качестве примера, обязательно найдутся задачи, содержащие ФП. Это задачи 1.1. и 1.2, что легко определяется при помощи Теоремы 4. С другой стороны, на основании Теоремы 3 можно утверждать, что в ситуациях, где ни объекты, ни действия системных полезной и вредной функций не совпадают, обязательно найдутся легкие задачи, т.е. либо вовсе не содержащие ФП, либо содержащие ФП, разрешимое во времени или пространстве. Такими задачами, как подсказывает Теорема 5, являются задачи 1.3, 1.4 и 1.5.

Мы выяснили, что любая ИС порождает, как правило, более одной ИЗ. Как правильно определить, в каком порядке решать эти ИЗ, чтобы достичь максимального эффекта с минимальными затратами?

Необходимо руководствоваться следующим. После выявления всех задач составляют причинно-следственную цепочку (ПСЦ) из ВФ оперативных элементов для этих задач и решение начинают с той задачи, которая находится в начале причинно-следственной цепочки. При этом, однако, надо учитывать, что задачи, не содержащие ФП (Теорема 5), как правило, решаются значительно легче задач, содержащих ФП.

Так, для нашей ситуации ПСЦ будет такой (задачи, содержащие ФП, отмечены звездочкой):

1.4→1.2*→1.3→1.5→1.1*,

В данной ситуации целесообразно начать с решения задачи 1.4, которая находится в начале ПСЦ и к тому же не содержит ФП. Выбор для решения задачи 1.1 наименее удачен: она находится в конце ПСЦ и содержит ФП.

Автор выражает признательность В.М.Герасимову, С.С.Литвину, В.Е.Дуброву и А.Л.Любомирскому за участие в обсуждении работы и конструктивную критику.

ЛИТЕРАТУРА

1. Альтшуллер Г.С. Найти идею. Введение в теорию решения изобретательских задач. - Новосибирск: Наука, 1986. - 209 с.

2. Альтшуллер Г.С, Злотин Б.Л., Зусман А.В., Филатов В.И.. Поиск новых идей: от озарения к технологии (теория и практика решения изобретательских задач). - Кишинев: Картя Молдовеняска, 1989. - 381 с.