 |
D) Алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ)
|
|
|
|
Алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ) — пошаговая программа (последовательность действий) по выявлению и разрешению противоречий, то есть решению изобретательских задач (около 85 шагов).
АРИЗ включает:
• собственно программу,
• методы управления психологическими факторами, которые входят составной частью в методы развития творческого воображения (РТВ).
• информационное обеспечение, питающееся из информационного фонда
Слово «алгоритм» в узком смысле означает абсолютно детерминированную последовательность математических операций. В широком смысле слова «алгоритм» - это любая достаточно четкая программа действий. Именно в этом смысле АРИЗ и назван алгоритмом.
Важно подчеркнуть, что с каждой новой модификацией в АРИЗ усиливаются главные признаки алгоритма: детерминированность, массовость, результативность.
Основой АРИЗ является программа последовательных операций по анализу неопределенной (а зачастую и вообще неверно поставленной) изобретательской задачи и преобразование ее в четкую схему (модель) конфликта, не разрешимого обычными (ранее известными) способами. Анализ модели задачи приводит к выявлению физического противоречия. Параллельно идет исследование имеющихся вещественно-полевых ресурсов. Используя эти (или дополнительно введенные ресурсы), разрешают ФП и устраняют конфликт, из-за которого возникла задача. Далее программа предусматривает развитие найденной идеи, извлечение из этой идеи максимальной пользы.
В программе – в самой ее структуре и правилах выполнения отдельных операций – отражены объективные закономерности развития технических систем.
Поскольку программу реализует человек, АРИЗ предусматривает операции по управлению психологическими факторами. Эти операции позволяют гасить психологическую инерцию и стимулировать работу воображения. Значительное психологическое воздействие оказывает само существование и применение АРИЗ: программа придает уверенность, позволяет смелее выходить за пределы узкой специальности и, главное, все время ориентирует работу мысли в наиболее перспективном направлении. АРИЗ имеет и конкретные психологические операторы, форсирующие воображение. В сущности, психологические операторы тоже основаны на объективных закономерностях развития технических систем, только закономерности эти еще не вполне ясны. По мере совершенствования АРИЗ психологические операторы превращаются в точные операторы преобразования задачи.
|
|
|
При разработке АРИЗ проводился систематический анализ патентного фонда. Выделялись и исследовались изобретения третьего и более высоких уровней, определялись содержащиеся в них технические и физические противоречия и типовые приемы их устранения. Для новых модификаций АРИЗ разработаны таблицы применения физических эффектов и создан подробный справочник «Указатель применения физических эффектов и явлений». С помощью таблиц можно определить эффекты, наиболее подходящие для преодоления содержащегося в задаче противоречия, «Указатель» дает сведения о самих эффектах и веществах, реализующих эти эффекты.
Работа над АРИЗ была начата в 1946 году.
Первый алгоритм образца 1959 года состоял из четырех шагов. Развиваясь на протяжении 40 лет, он превратился в мощный аналитический инструмент, с использованием которого создано компьютерное программное обеспечение, включающее базу данных физических эффектов и международных технических нормативов.
ОТ АРИЗ - К ТЕОРИИ РЕШЕНИЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ
С появлением первых модификаций АРИЗ началось становление теории решения изобретательских задач (ТРИЗ). ТРИЗ — теория решения изобретательских задач - область знаний, исследующая механизмы развития технических систем с целью создания практических методов решения изобретательских задач.
|
|
|
Термины:
П р и е м - одинарная (элементарная) операция. Прием может относиться к действиям человека, решающего задачу, например «используй аналогию». Прием может относиться и к рассматриваемой в задаче технической системе, например «дробление системы», «объединение нескольких систем в одну». Приемы, так сказать, скалярны, не направлены: неизвестно, когда тот или иной прием хорош, а когда плох. В одном случае аналогия может навести на решение задачи, а в другом - увести от него. Приемы не развиваются (хотя набор приемов можно, конечно, пополнять и развивать).
М е т о д - система операций, предусматривающая определенный порядок их применения. Например, метод мозгового штурма включает ряд операций по комплектованию групп «генераторов идей» и «критиков», по проведению штурма, по отбору идей. Методы обычно основаны на каком-то одном принципе, постулате. Так, в основе мозгового штурма лежит предположение, что решение задачи можно получить, дав выход из подсознания неуправляемому потоку идей. Методы развиваются весьма ограниченно, оставаясь в рамках исходных принципов. В этом же смысле будем использовать и слово «методика».
Т е о р и я - система многих методов и приемов, предусматривающая целенаправленное управление процессом решения задач на основе знания законов развития объективной действительности.
Основной постулат ТРИЗ: технические системы развиваются по определенным законам, эти законы можно выявить и осознанно использовать для создания алгоритма решения изобретательских задач.
Воображение – вольно или невольно – создает определенный образ задачи. Прочитал человек условие и сразу же вспыхивает мысленный экран с высвеченной на нем картинкой. Мышление – не системно. Если в задаче сказано «дерево», человек видит именно дерево. Начинается перебор вариантов. Дерево становится чуть больше, чуть меньше. Часто на этом все кончается: ответ не найден, задача признана неразрешимой. Это – обычное мышление. Талантливое воображение одновременно зажигает три экрана: надсистема (группа деревьев), система (дерево), подсистема (лист). Иногда включаются и другие экраны: наднадсистема (лес) и подподсистема (клетка листа). А главное – все это видно в развитии, потому что работают боковые экраны, показывающие прошлое и будущее на каждом уровне. Несколько экранов системно и динамично отражают системный и динамичный мир.
|
|
|
Цель ТРИЗ: опираясь на изучение объективных закономерностей развития технических систем, дать правила организации мышления по многоэкранной схеме.
Задача
Ледокол продвигается во льдах по принципу клина. Если лед имеет толщину 2-3 м, скорость ледокола не превышает скорости пешехода (4 км/ч). Сто лет — со времени появления первого ледокола — скорость наращивали в основном за счет увеличения мощности двигательной установки. У современного ледокола мощность двигателей на тонну водоизмещения в 5-6 раз больше, чем у океанских лайнеров. Двигатели и обслуживающие их системы занимают до 70% длины корпуса. Груз транспортируют на судах, идущих за ледоколом. Нужна идея: как повысить скорость движения ледокола, скажем, вдвое? По условиям задачи нельзя использовать вместо ледокола подводные лодки, самолеты, санные поезда.
Такая задача была поставлена одним из слушателей первого семинара по подготовке преподавателей ТРИЗ (Дзинтари, декабрь 1968 г.). «Задачедатель», моряк, хотел «проверить» возможности АРИЗ (алгоритма решения изобретательских задач): «Докажите, что алгоритм работает...»
На этой задаче хорошо видны особенности, присущие большинству трудных задач. Прежде всего, дана не задача, а ситуация, которую еще предстоит перевести в конкретную задачу. Четко виден тупик: нужно сохранить ледокольный принцип (во всяком случае, сохранить «корабль, разрушающий льды») и нельзя сохранять этот принцип, поскольку из него выжато все возможное. Задача имеет «устрашающую окраску»: традиционный способ усовершенствования — наращивание мощности двигательной установки — использован до предела, придется коренным образом менять очень сложный агрегат, не случайно задачу не удалось осилить за сто лет... Наконец, задача «вообще не по моей специальности»!
|
|
|
Последнее обстоятельство порой вызывает панический страх. История учит: все крупные изобретения сделаны неспециалистами, потому что нужной специальности просто еще нет: изобретатель и становится первым специалистом. Откуда могли взяться первые специалисты по пароходам, когда существовал только парусный флот?! Изобрел пароход часовщик и художник Фультон. Паровоз — горный инженер Стефенсон. Самолет — моряк Можайский и велосипедные мастера братья Райт. Все это знают, но страх выйти за ределы специальности не исчезает...\
Теперь посмотрим, как в принципе работает АРИЗ. Получив задачу, Альтшуллер попытался объяснить, что нельзя гарантировать, что столь трудная задача будет решена за час-полтора в шумной аудитории... «Задачедатель» стоял на своем: «Докажите, что АРИЗ может работать, иначе зачем нам его изучать...» задачу разбирала у доски слушательница, патентовед.
— Сначала надо убрать терминологию, — сказала женщина, взглянув в текст АРИЗ.
— Слово «ледокол» подталкивает к старой терминологии («надо колоть лед»), а мы ищем новую технологию...
В то время в АРИЗ еще не было корректного словосочетания «икс-элемент», Альтшуллер советовал: используйте любые слова, например «штуковина».
— Сформулируем ИКР, идеальный конечный результат, — продолжала слушательница. — Идеально, если «штуковина» со страшной силой мчится сквозь лед. Как будто льда вовсе нет.
— Нарисуем конфликтующую пару «штуковина — лед», — продолжала слушательница, поглядывая в текст АРИЗ. (Рис.1)
Рис.1
— Следующий шаг: надо выбрать элемент, который придется изменить. Лед — природный элемент, менять его свойства трудно. «Штуковина» — элемент технический. По правилам АРИЗ
выбираем технический элемент.
— Следующий шаг: определить, какая часть выбранного элемента должна быть изменена. Надводная часть АБ может двигаться быстро, ей ничто не мешает. Подводная часть ВГ тоже
может двигаться. Мешает часть БВ, упирающаяся в лед.
— Придется здесь сделать вырез. Тогда корабль пройдет вперед, не ломая льды.
В носовой части корабля возник вырез (рис. 2). Аудитория зашумела: «Корабль пройдет двадцать — тридцать метров и снова упрется в лед!..»
Рис.2
— А я снова сделаю вырез! — упрямо сказала женщина.
Рисунок был уточнен. Аудитория не сдавалась: «Корабль снова упрется!..» Впрочем,
кое-кто задумался, это было видно.
— Я снова сделаю вырез... Опять упрется?.. Ну, тогда сделаем сквозной вырез: пусть лед спереди входит, а сзади выходит. Теперь рисунок выглядел так (рис. 3).
|
|
|
Рис.3
Посыпались возражения: «Корабля нет... Нижняя часть утонет... А потом утонет и верхняя часть...»
— Но ведь это только ИКР, идеальный конечный результат, — сказала слушательница, еще раз заглянув в текст АРИЗ. — ИКР позволяет сформулировать противоречие. Этаж БВ должен быть
пустым, чтобы свободно проходил лед, и должен быть «непустым» чтобы соединять обе части корабля. Противоречивые требования можно разделить в пространстве. Этаж «пустой», но не совсем. Соединим верхнюю и нижнюю части веревками... Нет, стойками! Узкими ножами, чтобы резать лед. Пусть будут две узкие прорези во льду, сделать их, наверное, легче, чем ломать весь лед...
На доске возник поперечный разрез корабля (рис. 4).
Рис.4
«Задачедатель» отказывался принимать такое решение. Ледокол, сказал он, машина для создания канала во льдах, а эта... эта вещь канала не создает. Безуспешными были попытки объяснить «задачедателю», что новому кораблю не нужны будут мощные двигатели, поэтому он сам — без транспортных судов — сможет нести груз. «А как матросы будут ходить вверх-вниз?» — спросил «задачедатель». Я поинтересовался: зачем матросам ходить вверх-вниз, если нижняя часть, например, танкерная? Напомнил, на первых самолетах «матросы» бегали по крыльям, но разве кто-нибудь бегает по крыльям современных самолетов?.. Спор длился часа полтора. Доказать реальность новой идеи я не смог.
В назидание «задачедатель» поведал о решении, которое он считал правильным; сделано оно специалистами Арктического и Антарктического НИИ. Они предложили разрезать лед с помощью системы гигантских фрез, расположенных перед носовой частью судна. Вырезанные фрезами блоки льда поднимались специальными конвейерами на палубу, переходили на другие конвейеры —боковые —и сбрасывались в сторону*. Сооружение представляло собой огромную установку по переработке льда... Забегая вперед, следует сказать, что этот плавучий ледорезный завод так и не был построен.
Задача о ледоколе долгое время использовалась как учебная.
E) Вепольный анализ
Веполь -минимальная техническая система
В любой изобретательской задаче есть объект. Этот объект не может осуществлять требуемого действия сам по себе, он должен взаимодействовать с внешней средой (или с другим объектом). При этом любое изменение сопровождается выделением, поглощением или преобразованием энергии.
В решениях задач присутствуют три «действующих лица»: вещество В1, которое надо менять, обрабатывать, перемешать, обнаруживать, контролировать и т.д.; вещество В2 – «инструмент», осуществляющий необходимое действие; поле П, которое дает силу, энергию, т.е. обеспечивает воздействие В2 на В1 (или их взаимодействие).
П
В1 В2
Два вещества и поле могут быть самыми различными, но они необходимы и достаточны для образования минимальной технической системы, получившей название веполь (от слов «вещество» и «поле»). Вводя понятие о веполе, мы используем три термина: вещество, поле, взаимодействие. Под термином «вещество» понимаются любые объекты независимо от степени их сложности. Лед и ледокол, винт и гайка, трос и груз - все это «вещества». Взаимодействие - всеобщая форма связи тел или явлений, осуществляющаяся в их взаимном изменении. В физике полем называют форму материи, осуществляющую взаимодействие между частицами вещества. Различают четыре вида полей: электромагнитное, гравитационное, поле сильных и слабых взаимодействий. В технике термин «поле» используют шире: это пространство, каждой точке которого поставлена в соответствие некоторая векторная или скалярная величина. Подобные поля часто связаны с веществами - носителями векторных или скалярных величин. В вепольных формулах обычно записывают только поля на входе и на выходе, т. е. поля, которыми по условиям данной задачи можно непосредственно управлять - вводить, обнаруживать, изменять, измерять. Взаимодействие между веществами указывают без детализации вида взаимодействия (тепловое, механическое и т. д.). В вепольных формулах вещества надо записывать в строчку, а поля сверху и снизу; это позволяет нагляднее отразить действие нескольких полей на одно и то же вещество.
ПОСТРОЕНИЕ И ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ВЕПОЛЕЙ
Невепольные системы (один элемент - вещество или поле) и неполные вепольные системы (два элемента - поле и вещество, два вещества) необходимо - для повышения эффективности и управляемости - достраивать до полного веполя (три элемента - два вещества и поле). Правило достройки веполя непосредственно вытекает из самого определения понятия «веполь»: минимально полная техническая система заведомо эффективнее неполной системы, поэтому данные в задачах невепольные и неполные вепольные системы надо достраивать до полных веполей.
Существуют и другие правила, относящиеся к построению и преобразованию вепольных систем. Использование этих правил лежит в основе вепольного анализа, составляющего один из важнейших разделов теории решения изобретательских задач. Вепольная формула отражает вещественно-полевой состав и структуру системы. В некоторых изобретательских задачах требуется устранить вредное взаимодействие двух объектов. В таких случаях надо использовать правило разрушения веполей. Запишем формулу веполя в общем виде: удалить один из элементов, «оборвать» связи, заменить поле третьим веществом и т. д. Анализ большого числа задач на разрушение веполя показал, что самым эффективным решением оказывается введение третьего вещества, являющегося видоизменением одного из двух имеющихся.
(Волнистой стрелкой обозначено взаимодействие, которое по условиям надо устранить.)
Задача 2
В светокопировальной машине по стеклу протягивается калька с чертежом. К кальке прилегает светочувствительная бумага. Стекло (сложной формы) сломалось. Изготовление нового стекла требует значительного времени. Поэтому решили поставить оргстекло. Однако оказалось, что калька при движении электризуется и прилипает к стеклу. Как быть?
Инженеры, не знающие правила о разрушении веполя, обычно начинают перебирать варианты, связанные с удалением электрических зарядов. Но отводить заряды, не загораживая свет и не усложняя аппаратуру, очень трудно. С позиций вепольного анализа задача решается иначе. Между калькой и стеклом нужно ввести третье вещество, являющееся видоизмененной калькой или видоизмененным стеклом. Проще взять кальку - она дешевле. Поскольку эта калька должна находиться между стеклом и калькой с чертежом, нужно, чтобы вводимая калька была прозрачной и не задерживала свет. Значит, надо взять чистую кальку. Задача решена. Если протянуть чистую кальку по стеклу, она прилипнет. Калька с чертежом теперь пойдет не по стеклу, а по этой прилипшей кальке.
На этом примере хорошо видно, почему в правиле говорится, что вводимое третье вещество должно быть видоизменением одного из двух имеющихся. Если просто ввести какое-то третье вещество, могут возникнуть осложнения: «чужое» вещество будет плохо чувствовать себя в «посторонней» ему технической системе. Нужно, чтобы третье вещество было и чтобы его не было; тогда оно не сломается, не удорожит систему, не нарушит ее работу - словом, не привнесет никаких осложнений. Правило разрушения веполя, указывая на необходимость использования одного из имеющихся веществ (видоизменив его), подсказывает, как преодолеть противоречие «третье вещество есть и третьего вещества нет».
Правило достройки веполя тоже включает указания на преодоление противоречия. Поле должно действовать на вещество В1, и поле не должно (не умеет) действовать на это вещество. Вводя вещество В2 и действуя через него на В1, мы тем самым преодолеваем противоречие.
Вепольный анализ, как и анализ по АРИЗ, построен на решении задач выявлением и устранением противоречий. Часто приходится решать задачи, в которых противоречие возникает из-за того, что нужно сохранить имеющийся веполь и в то же время ввести новое взаимодействие. Невыгодно перестраивать этот веполь или ломать его. Такие задачи решаются по правилу построения цепных веполей: суть решения состоит в том, что вещество2 (инструмент) разворачивается в веполь, присоединенный к имеющемуся веполю. Иногда вещество 4 в свою очередь разворачиваются в веполь, продолжающий цепь.
В задачах на измерение и обнаружение веполь должен иметь на выходе поле, которое легко измерить и обнаружить. Если вещество должно превращать одно поле в другое (или менять параметры поля), можно сразу определить необходимый физический эффект, используя простое правило: название эффекта образуется соединением названий двух полей. (Например, оптико-акустический эффект)
ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ УСТРАНЕНИЯ ПРОТИВОРЕЧИЙ
В АРИЗ используются четыре механизма устранения технических противоречий:
1) переход от данной в модели задачи технической системы к идеальной системе путем формулирования идеального конечного результата (ИКР);
2) переход от ТП к ФП;
3) использование вепольных преобразований для устранения ФП;
4) применение системы операторов, в сконцентрированном виде отражающей информацию о наиболее эффективных способах преодоления ТП и ФП (списки типовых приемов, таблицы использования типовых приемов, таблицы и указатель применения физических эффектов).
В модели задачи описана техническая система и присущее ей противоречие. Заранее неизвестно, как реально устранить это противоречие, но всегда есть возможность сформулировать идеальное решение, воображаемый конечный результат (ИКР). Смысл этой операции заключается в том, чтобы получить ориентир для перехода к сильным решениям. Идеальное решение, по самому определению, наиболее сильное из всех мыслимых и немыслимых решений (для данной модели задачи). Это как бы решение несуществующего шестого уровня. Тактика решения задачи с помощью ИКР состоит в том, чтобы «уцепиться» за этот единственный сверхсильный вариант и по возможности меньше от него отступать.
ИКР формулируют по простой схеме: один из элементов конфликтующей пары сам устраняет вредное (ненужное, лишнее) действие, сохраняя способность осуществлять основное действие. Идеальность решения обеспечивается тем, что нужный эффект достигается «даром», без использования каких бы то ни было средств.
Переход к ИКР отсекает все решения низших уровней, отсекает без перебора. сразу. Остаются ИКР и те варианты, которые близки к ИКР и потому могут оказаться сильными. Дальнейший отсев вариантов происходит при формулировании физического противоречия. Например: «Тепловое поле должно нагревать проволоку, чтобы она удлинялась, и не должно нагревать проволоку, чтобы она не портилась».
Переход от ФП к решению существенно облегчается вепольным анализом. Уже при построении модели задачи вепольный анализ позволяет в общем виде представить пути решения. Например, в модели задачи говорится о поле и веществе: ясно, что придется вводить второе вещество. Сопоставляя это соображение с формулировкой ИКР, можно выявить вепольное противоречие (ВП): второе вещество должно быть, чтобы веполь был достроен, и второго вещества не должно быть, чтобы не отступать от ИКР. Такое противоречие (а оно часто встречается при вепольном анализе) можно преодолеть, используя «раздвоение» вещества: в качестве второго вещества берут часть первого или вводят второе вещество, являющееся видоизменением первого.
Нередко ни построение модели задачи, ни формулирование ИКР и ФП, ни вепольный анализ не дают готового, достаточно очевидного ответа. Решение задачи должно быть продолжено - необходимо перейти к операторам преобразования технической системы. вслед за переходом от изобретательской ситуации к задаче, затем к модели задачи возникает цепочка решений: идеальное решение (сформулирован ИКР), вепольное решение (найден ответ в вепольной форме),физическое решение (сформулировано ФП и найден физический принцип его устранения). Вслед за этим должно идти техническое решение: разработка идеи примерно на уровне требований, предъявляемых к заявке на изобретение. Завершается процесс расчетным решением, включающим обоснование основных характеристик новой технической системы. Эти этапы - получение технического и расчетного решения - представляют собой переход от решения изобретательской задачи к конструкторской разработке изобретения. Здесь главную роль играют специальные знания и опыт. В реальном творческом процессе «изобретательские» и «конструкторские» этапы порой причудливо переплетаются: от конструирования часто приходится возвращаться к изобретательству и подправлять найденную идею, а в процессе конструирования нередко возникает необходимость решать частные изобретательские задачи, сопутствующие основной задаче.
|
|
|
