Текст:Николай Кириленко:Метод морфологического анализа
Один из недостатков метода проб и ошибок состоит в том, что наиболее интересные варианты задачи просто могут не попасть в поле зрения.
Автор: Николай Яковлевич Кириленко
ВведениеПравить
Идеальным было бы иметь список всех возможных вариантов. Вероятно, многим приходила на ум эта замечательная возможность. На самом деле изобретатель никогда не имеет «полного» списка. Получив задачу, вообще говоря, не трудно приступить к составлению такого списка вариантов (иногда так и делают), но это будут только те варианты, которые попали в поле зрения изобретателя, а отнюдь не все возможные.
Хорошо бы иметь специальный метод, который позволил бы действительно охватить все возможные варианты. Приближением к такому методу является морфологический анализ (morphological analysis).
Морфологический анализПравить
История морфологического анализаПравить
Хотя термин «морфологический анализ» сформулирован Ф. Цвикки [1-3], на самом деле этот метод очень стар. Можно проследить его историю вплоть до мальорского логика и мистика монаха Райглунда Луллия (1235-1315 гг.). Луллий выдвинул идею, которую он назвал «Великим Искусством»: путём систематической комбинации очень небольшого числа принципов имеется возможность разрешить все проблемы философии и метафизики. Но практические средства, имевшиеся в его распоряжении, были недостаточны. Его принципы воплотились в приборах, в которых блоки окружностей вращались вокруг других окружностей. Перемещая окружности, относительно друг друга, можно было получить различные высказывания и суждения.
Декарт изучил «Великое Искусство» Луллия и увидел в этом опасность механизации мышления, сказав об этом в своем «Рассуждении о методе» за несколько строк до объяснения знаменитых «Четырех правил». Об этом пишет и Гегель в «Средневековой философии»: «Луллий, таким образом, систематичен, но вместе с тем, он становится механистичным».
Впрочем, у Луллия были и почитатели. Среди них надо назвать Джордано Бруно. Человеческое знание, по мнению Бруно, согласуется с природой, понятия ума соответствуют иерархии вещей. Верным приверженцем «Искусства» Луллия был Готфрид Лейбниц, написавший в 1666 году, когда ему не было и двадцати лет, небольшой труд под названием «О сочетательном искусстве». Более того, метод был обобщен. Фактически Луллий ограничил число принципов, которыми следует комбинировать, девятью. Но некоторые ученые поняли, что это ограничение можно отбросить.
Морфологический подход Ф. ЦвиккиПравить
В современной форме морфологический анализ создан швейцарским астрофизиком Ф. Цвикки. В 30-е годы ХХ в. Ф. Цвикки интуитивно применил морфологический подход к решению астрофизических проблем и на этой основе предсказал существование нейтронных звезд. На первый взгляд может показаться странным, что метод активизации и организации мышления создан астрофизиком. На самом деле здесь все закономерно. Астрономия первой из наук столкнулась с большими и сложными динамичными системами (звездами, галактиками) и первой ощутила необходимость в методах, позволяющих анализировать такие системы.
Технические системы по своему многообразию и сложности также являются большими динамическими системами. Поэтому в годы второй мировой войны, когда Цвикки привлекли к американским ракетным разработкам, морфанализ уже вполне сознательно был использован для решения технических задач.
Суть метода состоит в систематическом исследовании всех мыслимых вариантов, вытекающих из закономерностей строения (морфологии) усовершенствуемого объекта. При этом выявляются как известные, так и новые, необычные варианты, которые при простом переборе могли быть упущены. Идея метода – уйти в зону, далекую от того, что лежит на виду.
Основные этапы работыПравить
1. Формулировка задачи.
Часто обнаруживается, что этот этап является гораздо более сложным, чем первоначально думалось. Это объясняется тем, что в имеющейся литературе часто трудно найти удовлетворительное определение рассматриваемых объектов, в частности, даже таких хорошо известных устройств, как насосы, тормоза, электрогенераторы и т.д.
2. Составление списка характерных параметров (или признаков) объекта.
В любой технической системе можно выделить несколько характерных для неё признаков. Например, для технической системы «автомобиль» такими признаками будут: вид двигателя, вид кузова, количество осей, тип системы управления и т.д.
К этим признакам предъявляются определённые требования. Они должны быть:
- существенными для любого решения;
- независимыми друг от друга;
- охватывающими все аспекты задачи;
- достаточно немногочисленными, чтобы можно было составить ящик, допускающий быстрое изучение.
Чтобы выйти за пределы известного, найти новые формы объекта, необходимо как можно полнее раскрыть основные его параметры (или признаки). К сожалению, приходится констатировать, что не существует надежного способа проверки полноты такого списка.
3. Составление списка частичных решений для каждого параметра (или признака).
По каждому признаку записывают возможные варианты. Например, «какие могут быть двигатели для автомобиля? Внутреннего сгорания, электрические, паровые и т.д.». Тут очень важно не ограничиваться перечислением очевидных вариантов, а записать всё, что удастся вспомнить или придумать. Так, кроме перечисленных традиционных двигателей, надо упомянуть двигатели мускульные, пружинные, инерционные и т.д. Целесообразно, по-видимому, при решении любых задач указывать для каждого параметра как один из возможных вариантов, что данного параметра (части, особенности, характеристики) нет вообще. Например, для двигателей на¬до указать и вариант «без двигателя». Ведь появились автомобили без колес, хотя совсем недавно это казалось невероятным. Это облегчит выход к новым и эффективным решениям.
4. Определение функциональной ценности всех возможных сочетаний.
Выбирая по одному варианту каждого признака (иногда говорят: по одному элементу с каждой оси), надо составить комбинацию, решающую поставленную задачу.
Чтобы не запутаться в огромном числе вариантов, оценка решений должна производиться на универсальной и простой основе.
Если вообразить некоторое геометрическое пространство, каждая ось которого соответствует отдельному признаку системы, и на каждой оси отмечать точки, соответствующие отдельным элементам (вариантам), то мы получим пространство, каждая точка которого соответствует определённому варианту технической системы. Это пространство получило название морфологического ящика. На практике чаще всего используют морфологическую карту, т.е. берут две оси и составляют таблицу, в каждой клетке которой оказывается один (возможный или невозможный) вариант системы. Такой подход облегчает систематизированный перебор различных вариантов возможных решений.
5. Выбор наиболее приемлемого решения. Это самый трудный этап морфанализа. Правил отбора нужного сочетания нет, поэтому приходится действовать наугад. Между тем, сильное сочетание «прячется» среди миллионов слабых и бессмысленных сочетаний. Наиболее распространенная ошибка состоит в стремлении получать сочетания путем выбора на каждой оси наиболее «яркого», внешне привлекательного элемента. Такие элементы при объединении не дают гармонического сочетания. Разумнее действовать иначе – выбрать несколько главных элементов, а остальные подбирать так, чтобы они соответствовали, «подыгрывали» главным элементам.
Особенности методаПравить
При составлении обычной морфологической таблицы лишь 30...40 процентов сочетаний могут дать интересный результат. Кроме того, такую таблицу необходимо строить при решении каждой новой задачи. В связи с этим логично возникает вопрос: нельзя ли построить универсальную таблицу, годную для морфологического анализа многих технических систем?
Такая таблица была создана в 1970 году Г. Альтшуллером и получила название фантограммы. Вертикальной осью фантограммы служат универсальные показатели, характеризующие любую систему (от часового механизма до человеческого общества):
1. Химический состав вещества. 2. Физическое состояние вещества. 3. Объект. 4. Элементы микроструктуры объекта (например, для дерева – клетка, для общества – человек). 5. Надструктура (т.е. система, в которую входит объект, например, для дерева – лес). 6. Направление развития. 7. Воспроизведение. 8. Энергопитание. 9. Способ передвижения. 10. Сфера распространения. 11. Управление. 12. Цель, назначение, смысл существования.
В качестве горизонтальной оси используют перечень приемов изменения:
1. Уменьшить. 2. Увеличить. 3. Объединить. 4. Разъединить. 5. Заменить данное свойство «антисвойством». 6. Ускорить. 7. Замедлить. 8. Сместить по времени назад. 9. Сместить по времени вперед. 10. Сделать свойство меняющимся во времени (а если оно уже меняется, сделать его постоянным). 11. Отделить функцию от объекта. 12. Изменить связь со средой (включая полную замену среды).
По сравнению с обычным морфанализом выход осмысленных сочетаний в фантограмме составляет 60...70 процентов. В этом их преимущество. Однако и здесь возможности весьма ограничены. Следовало бы увеличить число элементов на каждой оси, повысив точность и конкретность этих элементов, а, следовательно, и определённость сочетаний. Но с увеличением числа элементов на¬чинает снижаться доля осмысленных сочетаний, фантограмма теряет компактность и удобство пользования.
Один из недостатков морфологического анализа – отсутствие уверенности в том, что при построении ящика были учтены все оси и все альтернативы на каждой оси. Интуитивный поиск вариантов заменяется интуитивным поиском признаков и их альтернатив. Выигрыш лишь в том, что мы переходим от случайного перебора ва¬риантов к более или менее систематическому. Проигрыш в том, что, упустив хотя бы одну ось, мы автоматически теряем очень большую группу вариантов. А с осями как и с вариантами – самые тривиальные лезут в глаза, а самые интересные прячутся за психологическими барьерами.
Другой из недостатков состоит в том, что при решении изобретательской задачи даже средней трудности в морфологическом ящике могут оказаться сотни тысяч и миллионы вариантов, перебор которых представляет собой чрезвычайно большую трудность.
И всё-таки у морфологического анализа есть свои достоинства. Прежде всего, он упорядочивает мышление, делает его более систематичным, отучивает хвататься за первые попавшиеся варианты. Морфологический анализ при тщательном выполнении позволяет хотя бы в первом приближении представить все «поле вариантов», а это очень полезно, особенно на начальном этапе проектирования технических систем.
Морфологический анализ достаточно успешно и эффективно можно применять при решении конструкторских задач общего плана, при проектировании новых машин и поиске новых машин и компоновочных или схемных решений. Наилучшие результаты этот метод может дать при исследовании ограниченных областей поиска, а не при изучении плохо определённых и нечетко сформулированных проблем.
Преимуществом морфологического анализа надо считать и возможность применения к задачам не только техническим. В частности, морфологический анализ можно применять при решении научных задач.
Пути повышения эффективности методаПравить
Чтобы повысить эффективность морфологического анализа при решении изобретательских задач можно рекомендовать некоторые приемы:
1. Составлению морфологического ящика должно предшествовать тщательное изучение структуры данного класса объектов.
2. При составлении морфологического ящика надо убрать термины, привязанные к исходному прототипу.
3. Морфологический ящик должен быть достаточно большим: нужно иметь много осей и много элементов на каждой оси, чтобы выйти за пределы очевидных представлений.
4. Выбирая конструкции (сочетания элементов), надо помнить, что лучшая машина – это «идеальная машина» (т.е. машины нет вообще, а результаты достигаются).
Дальнейшее усовершенствование морфологического анализа связано с применением к нему некоторых (хотя бы) понятий и идей алгоритма решения изобретательских задач (АРИЗа). Например, представляется перспективным внести в морфологический анализ идею технических противоречий. Если до выбора сочетания сгруппировать оси по принципу их взаимной противоречивости, можно упорядочить выбор сочетания, взяв на одной оси элемент, надо будет искать на другой оси самый «непротиворечивый» элемент по отношению к первому.
Работая по АРИЗ, необходимо после получения решения построить на основе найденной идеи морфологическую таблицу «поля – агрегатные состояния». При этом найденная идея соответствует одной клетке таблицы, а другие клетки могут дать идеи новых технических систем. Таблица «поля – агрегатные состояния» характеризуется сильным изменением исходного принципа: переход от одной клетки к другой обычно сопровождается полной сменой функций и области применения системы. Но возможны более простые морфологические изменения.
См. статью Текст:Николай Кириленко:Концепция творчества
ИсточникиПравить
1. Zwicky F. The Morphological Method of Analysis and Construction. – Courant, Anniversary Volume, 1948.
2. Одрин В. М., Картавов С. С. Морфологический анализ систем. Построение морфологических таблиц. — Киев: Наукова думка, 1977.
3. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества. – М.: Машиностроение, 1988.
См. Кириленко Н.Я. Методы принятия решений в управлении. – Коломна: КИППК, 2005.
Кириленко Н.Я. Концепции современного естествознания. – Коломна: КИППК, 2005.
Кириленко Н.Я. Естественнонаучная картина мира. – Коломна: КФ ВАУ, 1999.
Кириленко Н.Я. Физическая картина мира. – Коломна: КФ ВАУ, 1997.