§ 7. АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ

Одной из научно обоснованных и хорошо зарекомендовавших себя в практике массового технического творчества является мето­дика программного решения технических задач, созданная совет­ским изобретателем и писателем Г. С. Альтшуллером. Он назвал ее алгоритмом решения изобретательских задач (АРИЗ) [9, 16, 20].

АРИЗ— наглядный пример применения материалистической диалектики и системного подхода к процессу технического творче­ства. Методика основана на учении о противоречии. Алгоритм — это комплекс последовательно выполняемых действий (шагов, эта­пов), направленных на решение изобретательской задачи (поня­тие «алгоритм» используется здесь не в строгом математическом, а более широком смысле). Процесс решения рассматривается как последовательность операций по выявлению, уточнению и преодо­лению технического противоречия. Последовательность, направлен­ность и активизация мышления достигаются при этом ориентиров­кой на идеальный конечный результат (ИКР), т. е. идеальное ре­шение, способ, устройство.

Совершенствуемый технический объект рассматривается как целостная система, состоящая из подсистем, взаимосвязанных эле­ментов, и одновременно являющаяся частью надсистемы, состоя­щей из взаимосвязанных систем. Перед решением прямой задачи, связанной с техническим объектом, производят поиск задач в надсистеме (обходные задачи) и выбирают наиболее приемлемый путь.

При постановке задачи в АРИЗ учитывается тот факт, что источ­ником психологической инерции служит техническая терминология и пространственно-временные представления объекта. Поэтому ре­комендуют формулировать нежелательный эффект или главную трудность какой-либо ситуации, а не требования того, что надо сделать.

Действие психологической инерции уменьшают также приме­нением оператора РВС (Размеры—Время—Стоимость), суть ко­торого состоит в проведении серии мысленных экспериментов по изменению размеров объекта от заданной величины до 0 и затем до ∞, времени действия (скорости) объекта от заданного до 0 и затем до ∞ и стоимости объекта от заданной до 0 и до ∞. Формулировка условий задачи дается по определенной схеме в терминах, доступ­ных неспециалисту.

Стратегия решения изобретательской задачи по АРИЗ (рис. 7) состоит в следующем. Формулируют исходную задачу (ЗИ) в об­щем виде. Обрабатывают и уточняют ее, учитывая действие век­тора психологической инерции (ВИ) и технические решения в дан­ной и других областях.

Рис 7. Схема решения изобретательской задачи по АРИЗ (ЗИ — исходная задача, ВИ — вектор психологической инерции; 30 — обработанная задача; ИКР — идеальный конечный результат).

Излагают условия задачи, состоящие из перечисления элементов технической системы и нежелательного эффекта, производимого одним из элементов (обработанная задача на рис. 7—30). Затем формулируют по определенной схеме ИКР. Он служит ориентиром (маяком), в направлении которого идет процесс решения задачи (при формулировке ИКР не нужно задумываться над тем, как он будет достигнут). В сравнении ИКР с реальным техническим объ­ектом выявляется техническое противоречие, а затем его причина— физическое противоречие (на рис. 7 противоречие между ИКР и 30 может быть проиллюстрировано расстоянием между ними на плоскости поискового поля).

Понятие о техническом противоречии основано на том, что вся­кая техническая система, машина или процесс характеризуется комплексом взаимосвязанных параметров: вес, мощность и т. д. Попытка улучшить один параметр при решении задачи известны­ми способами неизбежно приводит к ухудшению какого-либо дру­гого параметра. Так увеличение прочности конструкции может быть связано с недопустимым увеличением веса, увеличение про­изводительности — с недопустимым ухудшением качества, повыше­ние точности — с недопустимым увеличением расходов и т. д.

Смысл АРИЗ состоит в том, чтобы путем сравнения идеально­го и реального выявить техническое противоречие или его причи­ну—физическое противоречие—и устранить (разрешить) их, пе­ребрав относительно небольшое число вариантов.

При разработке АРИЗ, после анализа 40 тысяч изобретений, было установлено, что в них преодолено около 1200 противоречий с применением, в основном 40 типовых приемов. Выходит, что оп­ределенный тип противоречий устраняется определенным неболь­шим числом «своих» приемов.

Это позволило составить таблицу приемов преодоления техниче­ского противоречия [20]. По ее вертикали расположены параметры, которые необходимо улучшить, а по горизонтали — параметры, не­допустимо ухудшающиеся, если решать задачу известными путями. При этом пересечение строки (улучшаемого параметра) со столб­цом (ухудшающимся параметром) дает сочетание, которое может быть устранено с помощью приемов, указанных в соответствую­щей ячейке таблицы.

Фонд типовых приемов устранения технического противоречия и фонд физических эффектов и явлений (см. гл. 4) являются тем мощным информационным аппаратом, который значительно увели­чивает быстроту и вероятность успешного решения задачи и повы­шает его уровень.

АРИЗ — развивающаяся и постоянно совершенствующаяся си­стема. Известны ее варианты: АРИЗ-59, АРИЗ-61, АРИЗ-64, АРИЗ-65, АРИЗ-68, АРИЗ-71, АРИЗ-77 и АРИЗ-80. Рассмотрим один из них.

Алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ-77)

Часть 1. Выбор задачи

1.1. Определить конечную цель решения задачи.

1.1.1. Какую характеристику объекта надо изменить?

1.1.2. Какие характеристики объекта заведомо нельзя менять при решении задачи?

1.1.3. Какие расходы снизятся, если задача будет решена?

1.1.4. Каковы (примерно) допустимые затраты?

1.1.5. Какой главный технико-экономический показатель надо улучшить?

1.2. Проверить обходной путь. Допустим, задача принципиаль­но нерешима: какую другую задачу надо решить, чтобы получить требуемый конечный результат?

1.2.1. Переформулировать задачу, перейдя на уровень надсистемы, в которую входит данная в задаче система.

1.2.2. Переформулировать задачу, перейдя на уровень подси­стем (веществ), входящих в данную в задаче систему.

1.2.3. На трех уровнях (надсистема, система, подсистема) пе­реформулировать задачу, заменив требуемое действие (или свой­ство) обратным.

1.3. Определить, решение какой задачи целесообразнее—пер­воначальной или одной из обходных. Произвести выбор.

Примечание. При выборе должны быть учтены факторы объ­ективные (каковы резервы развития данной в задаче системы) и субъективные (на какую задачу взята установка — минимальную или максимальную).

1.4. Определить требуемые количественные показатели.

1.5. Увеличить требуемые количественные показатели, учитывая время, необходимое для реализации изобретения.

Числовой индекс при АРИЗ соответствует году появления модификации.

1.6. Уточнить требования, вызванные конкретными условиями, в которых предполагается реализация изобретения.

1.6.1. Учесть особенности внедрения, в частности степень слож­ности решения.

1.6.2. Учесть предполагаемые масштабы применения.

1.7. Проверить, решается ли задача прямым применением стан­дартов на решение изобретательских задач. Если ответ получен, перейти к 6.1. Если ответа нет, перейти к 1.8.

1.8. Уточнить задачу, используя патентную информацию.

1.8.1. Каковы (по патентным сведениям) ответы на задачи, близ­кие к данной?

1.8.2. Каковы ответы на задачи, похожие на данную, но отно­сящиеся к ведущей отрасли техники?

1.8.3. Каковы ответы на задачи, обратные данной? 1.9. Применить оператор РВС.

1.9.1. Мысленно меняем размеры объекта от заданной величины до 0. Как теперь решается задача?

1.9.2. Мысленно меняем размеры объекта от заданной величи­ны до ∞. Как теперь решается задача?

1.9.3. Мысленно меняем время процесса (или скорость движе­ния объекта) от заданной величины до 0. Как теперь решается задача?

1.9.4. Мысленно меняем время процесса (или скорость движе­ния объекта) от заданной величины до ∞. Как теперь решается задача?

1.9.5. Мысленно меняем стоимость (допустимые затраты) объ­екта или процесса от заданной величины до 0. Как теперь реша­ется задача?

1.9.6. Мысленно меняем стоимость (допустимые затраты) объ­екта или процесса от заданной величины до ∞. Как теперь реша­ется задача?

Часть 2. Построение модели задачи

2.1. Записать условия задачи, не используя специальные тер­мины.

Примеры

А. Шлифовальный круг плохо обрабатывает изделия сложной формы с впа­динами и выпуклостями, например ложки. Заменять шлифование другим видом обработки невыгодно, сложно. Применение притирающихся ледяных шлифоваль­ных кругов в данном случае слишком дорого. Не годятся и эластичные надув­ные круги с абразивной поверхностью—они быстро изнашиваются. Как быть?

Б. Антенна радиотелескопа расположена в местности, где часто бывают гро­зы. Для защиты ее от молний необходимо поставить молниеотводы (металличе­ские стержни). Но молниеотводы задерживают радиоволны, создавая радиотень, а установить их на самой антенне в данном случае невозможно. Как быть?

2.2. Выделить и записать конфликтующую пару элементов. Если по условиям задачи дан только один элемент, перейти к шагу 4.2.

Правило 1. В конфликтующую пару элементов обязательно должно входить изделие.

Правило 2. Вторым элементом пары должен быть элемент, с которым непосредственно взаимодействует изделие (инструмент или второе изделие).

Правило 3. Если один элемент (инструмент) по условиям задачи может иметь два состояния, надо взять то состояние, кото­рое обеспечивает наилучшее осуществление главного производст­венного процесса (основной функции всей технической системы, указанной в задаче).

Правило 4. Если в задаче есть пары однородных взаимодей­ствующих элементов (A₁, A₂ ... и Б₁, Б₂ ...), достаточно взять одну пару (A₁ B₁).

Примеры

А. Изделие — ложка. Инструмент, непосредственно взаимодействующий с изделием,— шлифовальный круг.

Б. В задаче два изделия — молния и радиоволны — и один инструмент — молниеотвод. Конфликт в данном случае не внутри пар «молниеотвод—молния» и «молниеотвод — радиоволны», а между этими парами.

Чтобы перевести такую задачу в каноническую форму с одной конфликтую­щей парой, нужно заранее придать инструменту свойство, необходимое для вы­полнения основного производственного действия данной технической системой, т. е. надо принять, что молниеотвода нет и радиоволны свободно проходят к ан­тенне.

Итак, конфликтующая пара: отсутствующий молниеотвод и молния (или непроводящий молниеотвод и молния).

2.3. Записать два взаимодействия (действия, свойства) элемен­тов конфликтующей пары: имеющееся и то, которое надо ввести; полезное и вредное.

Примеры

А. 1. Круг обладает способностью шлифовать.

2. Круг не обладает способностью приспосабливаться к криволинейным поверхностям.

Б. 1. Отсутствующий молниеотвод не создает радиопомех. 2. Отсутствующий молниеотвод не ловит молнию.

2.4. Записать стандартную формулировку модели задачи, указав конфликтующую пару и техническое противоречие.

Примеры

А. Даны круг и изделие. Круг обладает способностью шлифовать, но не при­спосабливается к криволинейной поверхности изделия.

Б. Даны отсутствующий молниеотвод и молния. Такой молниеотвод не соз­дает радиопомех, но и не ловит молнию.

Часть 3. Анализ модели задачи

3.1. Выбрать из элементов, входящих в модель задачи, тот, ко­торый можно легко изменить и т. д.

Правило 5. Технические объекты легче менять, чем природ­ные.

Правило 6. Инструменты легче менять, чем изделия.

Правило?. Если в системе нет легко изменяемых элементов, следует указать «внешнюю среду».

Примеры

А. Форму изделия нельзя менять: плоская ложка не будет держать жид­кость. Круг можно менять (сохраняя его способность шлифовать)—таковы усло­вия задачи.

Б. Молниеотвод—инструмент, «обрабатывающий» (меняющий направление движения) молнию, которую в данном случае следует считать изделием. Анало­гия: дождевая труба и дождь. Молния—природный объект; молниеотвод—тех­нический, поэтому объектом надо взять молниеотвод.

3.2. Записать стандартную формулировку ИКР (идеального ко­нечного результата).

Элемент (указать выбранный на шаге 3.1) сам (сама, само) устраняет вредное взаимодействие, сохраняя способность выпол­нять (указать полезное взаимодействие).

Правило 8. В формулировке ИКР всегда должно быть слово «сам» («сама», «само»).

Примеры

А. Круг сам приспосабливается к криволинейной поверхности изделия, сохра­няя способность шлифовать.

Б. Отсутствующий молниеотвод сам обеспечивает поимку молнии, сохраняя способность не создавать радиопомех.

3.3. Выделить ту зону элемента (указанного на шаге 3.2), кото­рая не справляется с требуемым по ИКР комплексом двух взаимо­действий. Что в ней — вещество, поле? Показать эту зону на схе­матическом рисунке, обозначив ее цветом, штриховкой и т. п.

Примеры

А. Наружный слой круга (внешнее кольцо, обод); вещество (абразив, твер­дое тело).

Б. Та часть пространства, которую занимал отсутствующий молниеотвод. Вещество (столб воздуха), свободно пронизываемое радиоволнами.

3.4. Сформулировать противоречивые физические требования, предъявляемые к состоянию выделенной зоны элемента конфлик­тующими взаимодействиями (действиями, свойствами).

3.4.1. Для обеспечения (указать полезное взаимодействие или то взаимодействие, которое надо сохранить) необходимо (указать физическое состояние: быть нагретой, подвижной, заряженной и т. д.).

3.4.2. Для предотвращения (указать вредное взаимодействие или взаимодействие, которое надо ввести) необходимо (указать физическое состояние: быть холодной, неподвижной, незаряженной и т. д.).

Правило 9. Физические состояния, указанные в п. п. 3.4.1. и 3.4.2. должны быть взаимопротивоположными.

Примеры

А. 3.4.1. Чтобы шлифовать, наружному слою круга надо быть твердым (или жестко связанным с центральной частью круга для передачи усилий).

3.4.2. Чтобы приспосабливаться к криволинейным поверхностям изделия, наружному слою круга не надо быть твердым (или не быть жестко связанным с центральной частью круга).

Б. 3.4.1. Чтобы пропускать радиоволны, столб воздуха не должен быть про­водником (точнее, не должен иметь свободных зарядов).

3.4.2. Чтобы ловить молнию, столб должен быть проводником (точнее, дол­жен иметь свободные заряды).

3.5. Записать стандартные формулировки физического противо­речия.

3.5.1. Полная формулировка: (указать выделенную зону элемен­та) должна (указать состояние, отмеченное на шаге 3.4.1.), чтобы выполнять (указать полезное взаимодействие), и должна (указать состояние, отмеченное на шаге 3.4.2.), чтобы предотвращать (ука­зать вредное взаимодействие).

3.5.2. Краткая формулировка: (указать выделенную зону эле­мента) должна быть и не должна быть.

Примеры

А. 3.5.1. Наружный слой круга должен быть твердым, чтобы шлифовать из­делие, и не должен быть твердым, чтобы приспосабливаться к криволинейным поверхностям изделия.

3.5.2. Наружный слой круга должен быть и не должен быть. Б. 3.5.1. Столб воздуха должен иметь свободные заряды, чтобы «ловить» молнию, и не должен иметь свободных зарядов, чтобы не задерживать радио­волны.

3.5.2. Столб воздуха со свободными зарядами должен быть и не должен быть.

Часть 4. Устранение физического противоречия

4.1. Рассмотреть простейшие преобразования выделенной зоны элемента, т. е. разделение противоречивых свойств.

4.1.1. В пространстве.

4.1.2. Во времени.

4.1.3. Путем использования переходных состояний, при которых сосуществуют или попеременно появляются противоположные свой­ства.

4.1.4. Путем перестройки структуры: частицы выделенной зо­ны элемента наделяются имеющимся свойством, а вся зона в це­лом — требуемым (конфликтующим) свойством.

Если получен физический ответ (т. е. выявлено необходимое физическое действие), перейти к 4.5, а если нет—перейти к 4.2.

Примеры

А. Стандартные преобразования не дают очевидного решения задачи А, хотя, как мы увидим дальше, ответ близок 4.1 (4.1.2 и 4.1.4).

Б. Задача Б может быть решена по 4.1 (4.1.2 и 4.1.3). Свободные заряды сами появляются в столбе воздуха на начальных этапах возникновения молнии. Молниеотвод на короткое время становится проводником, а затем свободные за­ряды сами исчезают.

4.2. Использовать таблицу типовых моделей задач и вепольных преобразований. Если получен физический ответ, перейти к 4.4, а если нет — перейти к 4.3.

Примеры

А. По типовому решению вещество В₂ надо развернуть в веполь (см. § 4 гл. 4), введя поле П и добавив В₃ или разделив B₂ на две взаимодействующие части. (Идея разделения круга начала формироваться на шаге 3.3. Но если просто разделить круг, наружная часть улетит под действием центробежной си­лы. Центральная часть круга должна крепко держать наружную часть и в то же время должна давать ей возможность свободно изменяться...). Далее по типо­вому решению желательно перевести веполь (полученный из B₂) в феполь, т. е. использовать магнитное поле и ферромагнитный порошок. (Это дает возможность сделать наружную часть круга подвижной, меняющейся и обеспечивает требуе­мую связь между частями круга).

Б. По типовому решению вещество Bi должно раздваиваться, становясь то B₁, то В₂, т. е. столб воздуха должен становиться проводящим при появлении молнии, а потом возвращаться в непроводящее состояние.

4.3. Использовать таблицу применения физических эффектов и явлений. Если получен физический ответ, перейти к 4.5, а если нет — перейти к 4.4.

Примеры

А. По таблице подходит замена «вещественных» связей «полевыми» путём использования электромагнитных полей.

Б. По таблице подходит ионизация под действием сильного электромагнит­ного поля (молния) и рекомбинация после исчезновения этого поля (радиовол­ны—слабое поле). Другие эффекты или относятся к жидкостям и твердым те­лам, или требуют введения добавок, или не обеспечивают самоуправления.

4.4. Использовать таблицу основных приемов устранения тех­нических противоречий [20]. Если до этого получен физический ответ, использовать таблицу для его проверки.

Примеры

А. По условиям задачи А надо улучшить способность круга притираться к изделиям разной формы (адаптация). Известный путь—использовать набор раз­ных кругов. Проигрыш — потери времени на смену и подбор кругов (снижение производительности). Приемы по таблице [20]: 35, 28; 35, 28, 6, 37. Повторяю­щиеся и поэтому более вероятные приемы: 35—изменение агрегатного состоя­ния (наружная часть круга «псевдожидкая», из подвижных частиц) и 28 — пря­мое указание на переход к феполю, что и выполнено выше.

Б. По условиям задачи Б надо ликвидировать действие молнии (вредного внешнего фактора). Известный путь—установить обычный металлический мол­ниеотвод. Проигрыш—появление радиотени (т. е. возникновение вредного фак­тора, создаваемого самим молниеотводом). В таблице нужная ячейка пуста. Поэтому берем другой ухудшающийся параметр (уменьшение освещенности, т. е. появление оптической тени вместо радиотени) и получаем приемы: 1, 19, 32, 13. Прием 19—одно действие совершается в паузах другого.

4.5. Перейти от физического ответа к техническому: сформули­ровать способ и дать схему устройства, осуществляющего этот спо­соб.

Примеры

А. Центральная часть круга выполнена из магнитов. Наружный слой состоит из ферромагнитных частиц или абразивных частиц, спеченных с ферромагнит­ным. Такой наружный слой будет принимать форму изделия. В то же время он сохранит твердость, необходимую для шлифовки.

Б. Чтобы в воздухе появлялись свободные заряды, нужно уменьшить дав­ление. Потребуется оболочка, способная держать этот слой воздуха при пони­женном давлении и выполненная из диэлектрика (иначе она сама даст радио­тень) .

Авт. св. № 177497: «Молниеотвод, отличающийся тем, что с целью прида­ния ему свойства радиопрозрачности, он выполнен в виде изготовленной из ди­электрического материала герметически закрытой трубы, давление воздуха в ко­торой выбрано из условия наименьших газоразрядных градиентов, вызываемых электрическим полем развивающейся молнии».

Часть 5. Предварительная оценка полученного решения

5.1. Провести предварительную оценку.

Контрольные вопросы:

5.1.1. Обеспечивает ли полученное решение выполнение главно­го требования ИКР («Элемент сам...»)?

5.1.2. Какое физическое противоречие устранено (и устранено ли) полученным решением?

5.1.3. Содержит ли полученная система хотя бы один хорошо управляемый элемент? Какой именно? Как осуществлять управ­ление?

5.1.4. Годится ли решение, найденное для «одноцикловой» мо­дели задачи, в реальных условиях со многими «циклами»?

Если полученное решение не удовлетворяет хотя бы одному из контрольных вопросов, вернуться к 2.1.

5.2. Проверить (по патентным данным) формальную новизну полученного решения.

5.3. Какие подзадачи могут возникнуть при технической разра­ботке полученной идеи? Записать возможные подзадачи— изобре­тательские, конструкторские, расчетные, организационные.

Часть 6. Развитие полученного ответа

6.1. Определить, как должна быть изменена надсистема, в ко­торую входит измененная система.

6.2. Проверить, может ли измененная система применяться по-новому.

6.3. Использовать полученный ответ при решении других тех­нических задач.

6.3.1. Рассмотреть возможность использования идеи, обратной полученной.

6.3.2. Построить таблицу «расположение частей — агрегатные состояния изделия» или таблицу «использованные поля — агрегат­ные состояния изделия» и рассмотреть возможные перестройки от­вета по их позициям.

Часть 7. Анализ хода решения

7.1. Сравнить реальный ход решения с теоретическим (по АРИЗ). Если есть отклонения—записать.

7.2. Сравнить полученный ответ с табличными данными (табли­ца вепольных преобразований, таблица физических эффектов, таб­лица основных приемов). Если есть отклонения —записать.