§ 6. МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

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 [24, 29], 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 [24].

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 [21, 24]. 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.

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 п характеристик (параметров, морфологических при­знаков) обладает определенным числом ki 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.

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 [29]. 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 [21,30].

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,

..........................................................

Р₇ — агрегатное состояние среды,

...........................................................

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;

р₂—способ создания тяги: P₂¹—за счет внутренних источников, P₂²—за счет внешних источников;

р₃—тип регулирования тяги: Р₃¹—за счет собственных источ­ников, Р₃²—за счет внешних источников, Рз³—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;

р₉—агрегатное состояние топлива: Р₉¹ — газообразное, Р₉²— жидкое, P₉³ — твердое.

Рис. 6. 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. 6.

4. Определение функциональной ценности всех возможных ва­риантов решений.

Необходимо выписать и оценить возможные варианты решений, выражаемые, например, формулами:, ... " 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 4. Морфологическая матрица вариантов конструкции электродвигателя

Статор	Ротор
	Пассивный	Двухполюсный ПМ	Однополюсный ЭМ, питаемый постоянным током	2(N)-полюсный ЭМ, питаемый постоянным током	Однополюсный ЭМ, питаемый переменным током	2(N)-полюсный ЭМ, питаемый переменным током
Пассивный	-	-	-	-	-	Асин­хронный сопря­женный'
Двухполюсный	-	-	Унипо­лярный (ПМ)	-	-	Постоянного тока (ПМ) с коллек­тором
Однополюсный ЭМ, питаемый постоянным током	-	Унипо­лярный (ПМ)	-	Унипо­лярный (ПМ)	-	-
2 (N) -полюсный ЭМ, питаемый постоянным током	-	-	Унипо­лярный (ПМ)	-	-	Постоян­ного тока с последовательно-параллельным возбуж­дением (с кол­лекто­ром)
Эднополюсный ЭМ, питаемый переменным то­ком	-	-	-	-	-	Унипо­лярный сопря­женный, перемен­ного то­ка
2 (N)-полюсный ЭМ, питаемый переменным « током	Асинхронный  «беличья клетка»	Асин­хронный сельсин-двигателъ (ПМ)	-	Асинхронный сельсин-двига­тель (ЭМ) (контакт­ные коль­ца)	Униполярный перемен­ного то­ка	-
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 [30].

5. Выбор наиболее перспективных решений.

В приведенной на рис. 6 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. 4). 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. 4 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 [24, 29].

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 [24] проведен глубокий теоретический анализ метода, сформулированы основные понятия и термины, предложе­ны новые принципы и подходы к анализу и синтезу технических систем.