Глава 3 АНАЛИЗ ЗАДАЧ И СИНТЕЗ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

§ 1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ТВОРЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Приступая к анализу изобретательских задач, необходимо вы­полнить их классификацию. Для этого представим любую техни­ческую задачу в виде системы, состоящей из трех элементов: А— воздействие; В—объект, который подвергают преобразованиям; С — результат, который хотят получить преобразованиями объекта.

Творческий процесс предполагает поиск решения в условиях неопределенности, недостатка информации, однако степень неопре­деленности может быть различной и относиться она может к раз­личным элементам задачи. Например, известны (полностью опре­делены) преобразования и воздействия Л и материальный объект В, но неизвестен результат С. Если речь идет о физическом резуль­тате, значении какого-либо физического параметра объекта, то указанное состояние элементов А, В, С, характеризует условия стандартной научно-исследовательской задачи: определены факто­ры и величины их изменения, известен сам объект (техническая система, материал), параметры которого исследуют, разработана программа исследования — неизвестно значение параметров, их качественная и количественная связь с факторами (определение их — цель исследования). Если же речь идет о техническом резуль­тате, изменении технических и технико-экономических показателей (производительности, скорости процесса, срока службы элемента, энергоемкости и т. д.), то такое состояние элементов А, В, С, соот­ветствует изобретательской задаче «на применение».

Известно, к примеру, что при нагревании А все тела В расши­ряются (физический результат, эффект), неизвестен технический результат С, который может быть получен при использовании эф­фекта теплового расширения. В этой ситуации его выявление (изо­бретение), например передача точных микроперемещений объекту

Изобретательскую задачу «на применение» необходимо отличать от изобре­тения «на применение», предусмотренного «Положением об открытиях, изобре­тениях и рационализаторских предложениях». Последнее является формой защи­ты нового технического решения, которое могло быть получено для технической задачи иного класса под объективом микроскопа, может дать техническое решение: устройство для микроперемещения объектов, содержащее стержень с нагревателем, один конец которого связан с объектом, а другой — жестко закреплен (авт. св. № 242127). Однако такого типа задачи можно, пожалуй, в изобретательской практике считать производ­ными от задач с более или менее определенной технической целью, желаемым техническим результатом.

Другой пример: определены воздействия А, известен техниче­ский результат С, неизвестен объект В. В данном случае техниче­ская задача может быть решена выбором (применением, разработ­кой) нового материала или конкретной технической системы (узла,. агрегата), при известном воздействии А на него, определяющем достижение результата С. Например, требуемый результат С — снижение коэффициента трения и коэффициента теплопередачи между горячим деформируемым металлом и холодным инструмен­том (оправкой) при прокате труб (это обеспечивает уменьшение энергосиловых параметров процесса, уменьшение разогрева и изно­са инструмента). Для достижения такого результата необходимо смазку В нанести на поверхность оправки (нанесение смазки — это тип воздействия А, он известен). Задача решается разработкой или выбором конкретного смазочного вещества, каким стал, например, порошок триполифосфата натрия (авт. св. № 324086).

Рассмотрим еще один пример. Известны материальный объект В и требуемый результат С, неизвестно, как преобразовать объект В (воздействовать на него), чтобы достичь С, т. е. неизвестно А. Это типичная изобретательская задача — преобразование техни­ческого объекта проводится с определенной целью. Например, С — удобство транспортировки стружки от металлорежущих станков, В — стружка. Задача решается воздействием А на стружку В бе­гущим магнитным полем (авт. св. № 716937).

Три приведенных случая иллюстрируют одно из крайних со­стояний, когда неопределен лишь один из трех компонентов задачи. На практике же чаще встречаются случаи, при которых неопреде­ленных компонентов больше одного. Если ввести такое понятие, как коэффициент определенности К, характеризующий количест­венно имеющуюся информацию, необходимую для правильного вы­бора элемента технической задачи (если К.= 1 — элемент совершен­но определен, если К→0—полнейшая неопределенность в выборе нужного элемента), и применить его к каждому из элементов А, В, С, то получим набор показателей: К_а, К_в, К_с — коэффициенты определенности воздействий, объектов и результатов. Данная со­вокупность показателей может характеризовать класс, уровень и состояние технической задачи, а их произведение дает коэффициент определенности всей задачи К_авс (К_аХК_вХК_с=K_aвc). Чем выше К, тем тривиальней техническая задача, тем менее изобретательской она является. Когда К_авс→1, мы имеем дело с самой обычной ин­женерной задачей, все компоненты которой, практически полностью определены. Например, для того чтобы получить определенный ре­зультат С (стальную отливку), нужно вполне определенный объект В (расплав) обработать по вполне определенной технологии А (охладить).

Вспомним о творческих уровнях технических решений (гл. 1, § 3), которые оцениваются по количеству проб и ошибок, необходимых для нахождения нужного варианта [20]. Тогда коэффициент оп­ределенности К можно представить как величину, обратную коли­честву проб N: К_а=1/N_a; K_в=1/N_в, К_с=1/N_c — количество ва­риантов преобразований; N_в — количество вариантов объектов, ма­териалов; N_с — количество вариантов результатов, технических па­раметров). Согласно условной градации уровней творчества, пер­вому уровню соответствуют решения задач, для которых 0,1 ≤ K_aвc < 1; второму уровню — 0,01 ≤ K_aвc < 0,1 и т. д. Очевидно, существует какой-то предельный уровень коэффициента определенности задачи K_aвc, ниже которого решение не может быть найдено, так как не определена техническая задача.

По мере отбраковки опробованных вариантов, «пустых проб», коэффициент определенности задачи растет за счет уменьшения числа оставшихся вариантов.

Практика решения изобретательских задач показывает, что че­ловек, который усвоил основные существующие приемы и методы поиска новых технических решений, активизации творческого мыш­ления и имеет определенный изобретательский опыт, пользуется не всеми приемами и процедурами, предписываемыми известными ме­тодиками, а лишь их отдельными наиболее сильными разделами (блоками), расставленными в определенной последовательности (она может меняться в зависимости от типа проблемной ситуации). Вырабатывается как бы свой собственный сокращенный (укрупнен­ный) вариант «алгоритма» (определяющий, в частности, творческий почерк работника).

В то же время мысленные исследования, проводимые изобрета­телями, имеют ряд общих этапов, черт и используемых приемов, что позволяет представить процесс решения технической задачи в виде схемы, состоящей из нескольких наиболее характерных частей.

Один из основных источников развития техники — несоответст­вие технических потребностей общества техническим возможностям (противоречие между этими двумя противоположностями). Из это­го следует, что к основному типу относятся задачи с определенным требуемым результатом, заключающимся в разрешении указанного противоречия и удовлетворении технических потребностей обще­ства.

Можно различать две основные формы отражения технических потребностей общества: индивидуальное их осознание в процессе творческой деятельности и социальный заказ (осознание общест­венной технической потребности самим обществом).

Тип технических задач с неопределенным требуемым результа­том С (низкое значение Кс) связан с прогнозированием технических потребностей общества [30]. После осуществления такого прогноза задачи этого типа переходят в основной.

Противоречие между техническими потребностями общества и возможностя­ми проявляется в виде недостатка Н. Бу­дем считать, что выявление технического недостатка — первый этап в решении изо­бретательской задачи, ее исходный пункт.

Рациональный поиск технических не­достатков может быть проведен индиви­дуально, например с использованием процедур этапа Е1 обобщенного эвристи­ческого алгоритма и информационных массивов Ml (список требований, предъ­являемых к техническому решению) и М2 (список методов выявления недо­статков технических решений) [29, 31], или организован в коллективе (здесь приемлем метод «обратного мозгового штурма»).

Рис. 10. Система ко­ординат для описания хода решения техниче­ской задачи

Дальнейший ход анализа системы и синтеза технического ре­шения покажем на схеме (рис. 10, 11), поместив в ее центр выяв­ленный недостаток Нп [36, 37].

Учитывая диалектический путь научного познания, движущего­ся в рамках трех категорий — «единичное», «особенное», «всеоб­щее», эту схему можно изобразить в системе двух координат: 1) обобщение—конкретизация задачи и 2) обобщение—конкре­тизация сущности объекта.

При этом движение по плоскости в указанной системе координат (рис. 10) приобретает особый смысл перехода от более частных к более общим понятиям, и наоборот. Например, движение вниз означает переход от конкретных технических понятий к более общим физическим понятиям, от технических элементов к их материальной основе и свойствам и т. д. И наоборот, движение вверх — от более общих технических понятий к более частным технико-экономиче­ским, экономическим, организационным, санитарно-гигиеническим, экологическим, социальным и т. д.

Движение вправо означает переход от технической задачи к бо­лее конкретной частной задаче, с уровня системы на уровень под­системы, и наоборот, движение влево — от конкретной задачи к бо­лее общей, с уровня системы на уровень надсистемы, от техниче­ских условий к физическим и другим, при которых возможен поиск аналогий, усмотрение общего в разном и т. д.

Рис. 11. Схема процесса оценки и выбора технической задачи.

Устранение недостатка Нп является нашей исходной задачей Зп (рис. 11). Процесс ее решения может протекать в такой последо­вательности:

1.Оценка целесообразности решения за­дачи.

На этом этапе, как правило, изобретатель определяет ожида­емую эффективность решения, рассматривая (конкретизируя) ее с технической, технико-экономической, экономической, социальной, прочих сторон.

Такая оценка очень важна: затраты труда на решение задачи должны быть окуплены. В противном случае ее нецелесообразно решать. При этом возможно как приблизительное определение це­лесообразности «на глаз», так и использование специальных про­цедур и методов, например АРИЗ-77 (часть 1) и обобщенный эври­стический алгоритм (этапы Е2 и Е16), и даже проведение глубоких экономических, социальных и прочих исследований.

Если целесообразность работы по решению задачи установлена, то начинается ее технический анализ.

2. Анализ надсистемы, в которую входит рас­сматриваемая техническая система

В соответствии с принципами системного подхода, необходимо представить целостную техническую систему, одним из элементов которой является наша исходная, страдающая недостатком Нп.

При рассмотрении исходной технической задачи Зп, связанной с устранением недостатка Нп, с более общего уровня надсистемы устанавливается более общая задача и производные от нее частные задачи (задача Зn—одна из них).

Для представления структуры надсистемы необходимо выявить связи исходной технической системы и ее параметров с другими системами и внешними факторами. После анализа совокупности технических систем на одном исходном уровне можно повторить его на более высоком (более общем) и т. д.

При таком исследовании могут быть использованы элементы морфологического анализа, причем исходная система и другие па­раллельно функционирующие частные технические системы долж­ны быть рассмотрены как морфологические признаки системы (над­системы).

3. Анализ технической системы и ее подсистем, выбор задачи

На этом этапе следует выяснить структуру технической системы и составляющих ее подсистем. Для этого необходимо представить морфологию (строение) технической системы, а затем связи между ее элементами (подсистемами) и их параметрами. После осуществ­ления такого исследования на одном уровне (уровне исходной технического задачи) анализ надо в большинстве случаев продолжить на более низких иерархических уровнях (на уровнях конкретных подсистем).

Для решения задачи можно применять приемы морфологическо­го анализа, представляя элементы технической системы (или их функции) морфологическими признаками.

Поскольку исходной задачей является устранение определенно­го технического недостатка Нп, то целесообразно выявить (выде­лить) ту часть технической системы (и подсистемы), которая в той или иной степени связана с возникновением и изменением данно­го недостатка. Для целенаправленного поиска можно воспользо­ваться методом построения логических цепей причинно-следствен­ных связей недостатка с его причинами (рис. 12).

Причина Нп недостатка Нп сама может рассматриваться как недостаток Н_п-1, имеющий причину Н_n-1. При этом может быть сформулировано множество задач, каждая из которых характери­зуется своим более конкретным техническим недостатком Hi, но все они связаны с первоначальным недостатком Нп и являются одними из его причин.

Если путем простого логического анализа (с использованием имеющейся информации о данной системе) не удается установить истинные причины недостатка Hi, то необходимо провести допол­нительные теоретические или экспериментальные научные исследо­вания.

Из описанных этапов два последних (п. 2 и 3) анализируют технические задачи, решение которых связано с возможным устра­нением или уменьшением исходного технического недостатка Нп. (они будут более подробно рассмотрены в следующем пара­графе).

После такого анализа должна быть выбрана конкретная тех­ническая задача из совокупности выявленных. Выбор осуществля­ется путем оценки целесообразности решения каждой из задач, с учетом ресурсов времени и сил на разработку.

На этих этапах стоит также применить процедуры АРИЗ-77 (часть 1) и обобщенного эвристического алгоритма (этап Е3).

Выбрав конкретную техническую задачу, начинают анализ ее материального носителя, технического объекта.

4. Анализ технической задачи

Здесь исследуют выбранный конкретный технический объект, понимая его как систему взаимосвязанных элементов Э₁, Э₂,..., Э_i, ... (каждый из них может быть рассмотрен также как система, со­стоящая из взаимосвязанных частей).

Рис. 12. Система причинно-следственных связей технических недостатков с их причинами.

Надо перечислить все необходимые элементы, без которых не­возможно выполнение основных функций технической системой (чтобы отсеять лишние), а из выделенных отобрать те, которые связаны непосредственно с недостатком Нi (устранение его выбрано в качестве задачи).

Чтобы построить модель объекта, надо использовать определенный объем специальных знаний, изучить зависимость основных па­раметров объекта от всевозможных внешних и внутренних факто­ров, определить связи недостатка (количественного показателя, ха­рактеризующего недостаток) с различными параметрами.

Из-за отсутствия какой-то информации об объекте возникает необходимость проработать дополнительные литературные источ­ники, провести теоретические и экспериментальные исследования. Кроме того, производят параметрическое, морфологическое, струк­турно-функциональное описание системы.

При построении модели технического объекта целесообразно воспользоваться приемами морфологического и вещественно-поле­вого анализа [9, 10] (основы вепольного анализа приведены в главе 4 вместе с фондом вепольных преобразований), а также проце­дурами АРИЗ-77 (часть 2) и обобщенного эвристического алгорит­ма (этапы Е4—Е6).

Полученные новые научные результаты, относящиеся к объекту исследования (в виде улучшенного состава вещества, оптимальных технологических режимов, новых количественных соотношений и т. д.), уже на этом этапе часто достаточны для защиты техническо­го решения а форме изобретения.

В процессе работы целесообразно применить метод анализа по­тенциальных изменений свойств элементов системы (сокращенно: метод анализа свойств—АС) [36, 37], основанный на следующем подходе. Все материальные объекты, элементы системы рассматри­ваются как совокупность различных свойств, параметров, каждое из которых приняло для данного конкретного объекта конкретное значение. Совокупность свойств для всех объектов одинакова (это та основа, на которой выясняется общность различных вещей и явлений) и определена объемом наших знаний о материальном мире. Несхожесть материальных объектов состоит в различии зна­чений того или иного свойства, показателя и т. д. Задача заключа­ется в анализе каждого свойства элемента, входящего в данную техническую систему, выявлении возможности его изменения.

В результате такого подхода более четко определяется поле поиска возможных решений, выясняется, что в технической систе­ме может быть изменено (какие свойства, показатели). Это позво­ляет сбить психологическую, терминологическую и прочую инер­цию, так как уводит от пространственно-временных представлений о конкретном объекте к его свойствам (на общий для всех мате­риальных объектов субстанционный уровень), а также позволяет включить в решение задачи все знания о материальном мире.

5. Формулировка условий и анализ изобре­тательской задачи

Это один из наиболее ответственных этапов в решении задачи. От того, как будут сформулированы ее условия, существенно зави­сит успех поиска. Часто удачные, оригинальные решения возника­ют после изменения условий задачи.

Полагая, что изобретение—это новое техническое решение, по­лученное в результате преодоления (разрешения) противоречия [9, 20], будем считать, что условия изобретательской задачи сфор­мулированы, если указаны реальная техническая система и ее не­достаток, идеальный конечный результат (ИКР) и выявлено про­тиворечие между ними.

При этом желательно употреблять формулы для описания си­стемы, ИКР и противоречия, предлагаемые АРИЗом и обобщен­ным эвристическим алгоритмом (этапы Е7—Е9).

Применяя в ходе решения метод анализа потенциальных изме­нений свойств элементов системы, можно также пользоваться стан­дартной формулировкой ИКР по АРИЗ, но в качестве легкоизме­няемого элемента нужно всегда брать внешнюю среду. Это обуслов­лено тем, что метод АС предполагает возможность широкого изменения значений свойств в каждом элементе технической систе­мы, а внешняя среда — такой элемент, любые свойства которого можно менять в неограниченных пределах. После нахождения идеи решения задачи используемые свойства внешней среды могут быть закреплены за элементами технической системы, у которых была возможность изменения значений этих свойств (такой подход шире предлагаемого АРИЗом, так как, не изменяя элемента в целом, позволяет решить задачу, изменив только значение одного из свойств элемента).

Процедура формулировки должна проходить в направлении обобщения условий изобретательской задачи, содержать переход от технических условий (техническая система, технический ИКР, техническое противоречие) к более общим физическим условиям (физическая система, физический ИКР, физическое противоречие). Этот процесс предусматривает составление ряда вариантов условий и попыток их переформулировки с помощью более общих понятий.

6. Поиск идеи решения

На этом этапе сравнивают условия изобретательской задачи с более пли менее отдаленными аналогами (на разных уровнях обоб­щения); сопоставляют с решениями, хранимыми нашей памятью (мозгом, книгами, статьями, таблицами, патентами, фильмами и другими источниками информации); пытаются изменить техниче­скую систему с помощью эвристических приемов и стандартных преобразований; ищут новые принципы действия системы, привле­кая арсенал физических эффектов и явлений; стараются приме­нить новые материалы и т. д.

Значительный успех здесь может обеспечить умение оперативно перерабатывать информацию, которая содержит основные принци­пы разрешения противоречий в технических системах и хранится в информационных фондах (см. гл. 4): физических эффектов и явле­ний, технических решений (в том числе пионерных изобретений и новых материалов), эвристических приемов и стандартов на реше­ние изобретательских задач, вепольных преобразований [9, 10, 29]. При отыскании конструктивных и схемных решений могут исполь­зоваться морфологические матрицы.

Поиск идеи решения организуют как индивидуально, так и в коллективе с использованием правил и приемов «мозгового штур­ма» и синектики, а также применяемых в обоих случаях других ме­тодов психологической активизации творческого мышления (ассо­циативных методов, метода контрольных вопросов и др.).

Если идея решения найдена, то в дальнейшем проводят синтез нового технического решения; если же не найдена, то необходимо вернуться на этапы 2, 3 и сделать выбор новой технической задачи.

7. Синтез нового технического решения Конкретизацию идеи на этом этапе выполняют, синтезируя ее материальный носитель—техническое решение (объект). Процесс конкретизации идет по пути: идея решения, новая техническая си­стема.

Синтезируют новую техническую систему, закрепляя функции, выполнения которых требуют идея решения и новый принцип действия, за существующими элементами системы путем изменений значений ряда их свойств. Если нет возможности изменить значения нужных свойств у имеющихся элементов, необходимо ввести дополнительный, который может выполнить требуемые функции. Для осуществления такого синтеза на практике целесообразно остановиться на приемах метода АС (они будут рассмотрены ниже). Не исключается также использование приемов морфологического анализа.

Подобный синтез, как правило, далеко не совершенен, и полу­ченное решение нуждается в оптимизации и рационализации. С этой целью могут быть использованы АРИЗ-77 (части 4—6), обобщен­ный эвристический алгоритм (этапы Е13—Е17), а также функцио­нально-стоимостный анализ.

Таким образом, пройден путь от технического недостатка до решения, в котором он отсутствует, т. е. описан полный цикл реше­ния технической задачи. При графическом изображении цикл полу­чает вид петли на плоскости в указанной системе координат (рис. 13). Дальнейшее усовершенствование технического решения может осуществляться: по такому циклу после выявления новых технических недостатков, присущих ему.

Краткое содержание описанных этапов решения изобретатель­ской задачи, их методологическое обеспечение сведены в справоч­ную таблицу (табл. 8).

Таблица 8. Основные этапы процесса технического творчества и их методологическое обеспечение

Индекс этапа	Наименование и содержание этапа	Название методологических средств
0	Выявление недостатка Анализ технических потребностей об­щества и технических возможностей системы, их сравнение, формулировка противоречия между ними	Обобщенный эвристический ал­горитм (этап Е1)
1	Определение целесообразности реше­ния Анализ технических, технико-эконо­мических, экономических, социальных и прочих показателей выполняемой работы; пользы и эффективности от устранения недостатка, возможных затрат на проведение работы	Обратный мозговой штурм
2	Анализ подсистемы Выявление связей технической систе­мы с другими системами, анализ со­вокупности этих систем на первона­чальном и более высоких иерархиче­ских уровнях	АРИЗ-77 (часть 1) Обобщенный эвристический ал­горитм (этап Е2, Е16) Морфологический анализ Приемы и методы системного анализа
3	Анализ системы и подсистем, выбор задачи. Определение структуры технической системы и ее элементов на разных иерархических уровнях. Анализ сово­купности возникающих технических задач, оценка целесообразности реше­ния каждой из них, выбор конкрет­ной технической задачи	Морфологический анализ Приемы и методы системного анализа. Построение логичес­ких цепей причинно-следствен­ных связей недостатков с их причинами. АРИЗ-77 (часть 1). Обобщенный эвристический ал­горитм (этап ЕЗ)
4	Анализ технической задачи. Анализ структуры объекта, построе­ние его модели, определение возмож­ностей его преобразования, построе­ние модели недостатка	АРИЗ-77 (часть 2) Обобщенный эвристический ал­горитм (этапы Е4—Е6) Морфологический анализ Приемы и методы теории по­добия и моделирования, экспе­риментальных и теоретических исследований Метод анализа потенциальных изменений свойств элементов технической системы
5	Формулировка условий изобретатель­ской задачи Характеристика технической (физиче­ской) системы и формулировка иде­ального результата, выявление и уточнение технического (физического) противоречия	АРИЗ-77 (часть 3) Обобщенный эвристический ал­горитм (этапы Е7—Е9)
6	Поиск идеи решения Сопоставление изобретательской за­дачи с решенными техническими за­дачами, поиск аналогов. Выбор путей достижения идеального результата и новых принципов действия	Фонд физических эффектов Фонд технических решений Фонд эвристических приемов и таблицы устранения техниче­ского противоречия по АРИЗ Фонд вепольных преобразова­ний АРИЗ-77 (часть 4). Обобщенный эвистический алгоритм (этапы Е10—Е12) Мозговой штурм. Синектика Метод контрольных вопросов. Ассоциативные методы поиска технических решений. Морфо­логический анализ.
7	Синтез нового технического решения Закрепление функций, требуемых идеей решения (принципом дейст­вия), за элементами технической си­стемы и их преобразование	Морфологический анализ. Синтез технической системы с привлечением матрицы потен­циальных изменений свойств элементов системы АРИЗ-77 (части 4—6) Обобщенный эвристический ал­горитм (этапы Е13—Е17)

Графическое изображение хода решения задачи в виде замкну­того цикла в системе координат (рис. 13) делает его более нагляд­ным и легко воспринимаемым, однако необходимо иметь в виду, что такая схема не обязательно должна быть жесткой, хотя многие изобретательские задачи и укладываются в нее. Очевидно, возмож­но частичное изменение содержания этапов, их последовательности.