Лекция № 6 креативная деятельность инженера

6.1. Методы поиска новых технических решений

История развития человечества – это, прежде всего история изобретения создания и совершенствования различных изделий и технологий. Тысячи известных и безымянных изобретателей и рационализаторов породили необъятный мир техники и технологии. Почему с воз­растающей настойчивостью ставится вопрос массового обучения моло­дежи методам инженерного творчества? В возрасте до 20-25 лет значительно легче формируется творческая личность, осваиваются психология и методология инженерного творчества. Ускорение научно-технического прогресса, экономическая мощь страны находятся в прямой зависимости от ее творческого потенциала, т.е. от числа творчески работающих конструкторов, технологов, ученых. Необходимость массового обучения молодежи инженерному творчеству сильно связана с поднятием престижа инженера, популярности инженерного труда.

Какие в настоящее время существуют методы инженерного творчества?

1.Эвристические методы технического творчества, основанные на использование четко описанных методик и правил поиска новых технических решений.

2.Компьютерные методы поискового конструирования, основанные на использование ЭВМ в решении творческих инженерных задач.

К задачам технического творчества были традиционно отнесены такие, при которых человек решает поставленную задачу способом «проб и ошибок» или с помощью эвристических методов без использования ЭВМ. К задачам поискового конструирования отнесены такие инженерные задачи, которые человек решает с использованием ЭВМ.

Определим основные понятия инженерного творчества (ИТ). Результатами ИТ чаще всего являются новые, более совершенные технические объекты и технологии. Техническим объектам (ТО) будем называть созданные человеком или автоматом реально существующие устройства, предназначенные для удовлетворения определенной потребности. КТО можно отнести отдельные машины, аппараты, приборы, здания и т.п. устройства. Каждый ТО может быть представлен описаниями. Описания характеризуются двумя свойствами:

1) каждое последующее описание является более детальным и более полно характеризует ТО по сравнению с предыдущим;

2) каждое последующее описание включает в себя предыдущее.

Такие свойства имеют следующие описания: потребность, или функция ТО; техническая функция; функциональная структура; физический принцип действия; техническое решение; проект.

При разработке любого ТО, когда ставится цель получить изделие выше уровня лучших мировых образцов, конструктору предстоит решить иерархическую последовательность задач выбора проектно-конструкторских решений. При разработке и проектировании ТО всегда имеет место определенный список требований, которым ТО должен удовлетворять. Здесь необходимы: работоспособность, эффективность, ремонтопригодность и т.п. Если не будет учтено и выполнено хотя бы одно требование, то в созданном ТО проявится хотя бы один существенный недостаток или он будет неработоспособен. Отсюда следует важность необходимого и достаточного списка требований, который в инженерных разработках составляет ядро технического задания.

Строение развитие каждого ТО и техники в целом подчиняются определенным законам и закономерностям, которые указывают на устойчивые качественные и количественные причинно-следственные связи и отношения, имеющие место у класса ТО и техники в целом.

Задачи инженерного творчества решаются итерационным путем, т.е. делается несколько приближений к искомому решению на основе полученных результатов. Постановка задачи - нелегкая работа. Правильная постановка творческой инженерной задачи - это половина ее решения. Нередки случаи, когда решение задачи находят в процессе ее постановки. Поэтому не следует экономить время на анализ и постановку задачи.

Авторские свидетельства и патенты - наиболее распространенные результаты инженерного творчества. Однако главная цель инженерного творчества - создание машин, приборов, сооружений и технологий, превосходящих мировой уровень и обеспечивающих наиболее высокие темпы научно-технического прогресса.

Известны различные методические средства решения задач поискового конструирования: принципы, правила, приемы, эвристики, методы, методики, эвроритмы, алго­ритмы и т. д. Между этими методическими средствами пока не установлены четкие границы и иерархические связи. Под эвристическим методом понимается последовательность предписаний или процедур обработки информации, выполняемая с целью поиска более рациональных и новых конструктивных решений. Для такой последовательности нет обоснованного доказательства, что она является наилучшей в смысле быстродействия или трудоемкости решения задачи, и нет гарантий нахождения наилучшего или глобально оптимального решения. Эвристические методы часто в определенной ситуации целесообразно использовать, поскольку в этих случаях другие математически обоснованные методы оказываются менее эффективными. Кроме того, они, как правило, содержат процедуры обработки информации, которые или затруднительно запрограммировать для ЭВМ, или нецелесообразно выполнять на ЭВМ. Эти процедуры, выполняемые человеком, обычно называют эвристиками или эврисмами. Они представляют собой предписания, направленные на решение проблемных задач в условиях дефицита информации или времени. В таких предписаниях используются универсальные процедуры анализа целей и средств, способы правдоподобных рассуждений, основанные на прошлом опыте, интуиции, аналогии, индукции и др.

В последние годы появилось большое число книг по изобретательству и теории технического творчества, по теории техниче­ских систем, по теории принятия решений, что вселяет надежду на создание методологии инженерного проектирования.

Рассмотрим три этапа инженерного проектирования: изобретательство, инженерный анализ и принятие реше­ний. Начнем с изобретательства. Под изобретатель­ностью понимается способность людей создавать новые полезные идеи для решения инженерных задач. Ранее в СССР был предложен метод (названный алгоритмом изобретения) для поиска новых технических решений. Сущность метода, предложенного Генрихом Альтшуллером, сводится к следующему. Вначале необходимо четко сформулировать конечную цель решения изобретательской задачи. Затем нужно построить модель задачи, под которой понимается переформулированная задача без использования специальной терминологии. В рамках построения модели производится выделение так называемой конфликтующей пары элементов (для этого предложены определенные правила) и записывается существующее между элементами техническое противоречие. Затем составляется так называемый идеальный конечный результат (ИКР) (идеальная машина), в котором все противоречия разрешаются сами собой; ИКР — ориентир, в направлении которого следует двигаться. В работах Г. Альтшуллера приводятся стандартные приемы, которые могут быть использованы при разрешении противоречий. Эти приемы были сформулированы в результате анализа нескольких тысяч патентов. Кроме этого, предлагается таблица физических эффектов и явлений, которые также можно использо­вать на этапе преодоления противоречий.

В работах Александра Половинкина с соавторами предложен так называемый обобщенный эвристический метод, который позволяет находить новые технические решения широкого круга инженерных задач как с использованием ЭВМ, так и без вычислительной техники.

Метод условно разделен на семь этапов, существен­но отличающихся целевым назначением. Каждый этап состоит из отдельных процедур.

Весьма важной составной частью обобщенного метода является наличие следующих информационных фондов:

• фонд физических эффектов;

• фонд технических решений рассматриваемого класса технических систем;

• список требований, предъявляемых к рассмат­риваемому классу технических решений;

• фонд материалов и конструктивных элементов, перспективных для создания новых технических решений;

• фонд эвристических приемов;

• методы оценки и выбора вариантов технических решений.

Аналогичные работы проводятся профессором Иоганессом Мюллером в Центральном институте сварки (ФРГ).

Описанные выше подходы являются, по существу, моделированием методов поиска новых технических решений. Следует отметить, что существует целый ряд менее общих методов активизации творческой деятельности: метод мозгового штурма, метод гирлянд ассоциаций, метод морфологического ящика, методы преодоления психологической инерции.

С точки зрения принципиальной возможности исполь­зования ЭВМ в решении задач поискового конструиро­вания можно выделить три группы методов.

1. Полностью формализованные — алгоритмы, которые могут быть реализованы в виде программы. В такой программе четко выделяются исходные данные, задаваемые человеком, и получаемые результаты, выдаваемые машиной. Следует заметить, что к результатам здесь относится и отсутствие решения или получение недопустимых решений, не удовлетворяющих человека.

2. Частично формализованные эвристические методы—эвроритмы, в которых часть процедур обработки информации может быть описана в виде алгоритмов и соответственно запрограммирована для ЭВМ, а дру­гая— эвристики — реализуется человеком. Таким образом, эвроритмы могут быть реализованы в виде человеко-машинных программ, которые в ближайшем будущем, очевидно, станут распространенным типом реализации эвристических методов.

3. Полностью неформализованные эвристические методы, состоящие только из набора эвристик. Нам пред­ставляется, что выделение этой группы оправдывается только требованием принципиальной полноты классификации, поскольку в известных эвристических методах хотя бы небольшую долю обработки информации можно передать машине.

Несмотря на то, что достаточно объективную оценку целесообразности применения ЭВМ можно получить на основе изучения и обобщения опыта решения задач, мы часто вынуждены делать такие, хотя и весьма грубые, оценки при планировании работ по программированию эвроритмов. Целесообразность применения ЭВМ, несмотря на все трудности ее оценки, представляет собой объективный действенный фактор, который разделяет функции между человеком и машиной при решении конкретных классов задач в конкретных ситуациях. При этом в эвроритмах выполнение многих, принципиально формализуемых процедур, на практике оказывается «дешевле» передать человеку.

Имеющийся практический опыт использования ЭВМ в решении задач поискового конструирования позволяет сделать два интересных вывода.

1. Многие эвристические методы, которые в свое время были разработаны для без машинного применения и успешно использовались в таком режиме, оказались еще более эффективными после их частичного программирования и использования ЭВМ. При этом применение этих методов без ЭВМ также остается целесообразным в случаях, когда еще не выполнена работа по формализации и программированию метода применительно к другим классам технических систем или когда у конструкторов еще нет необходимой вычислительной техники. Чаще все­го применительно к отдельным классам технических систем и коллективам конструкторов здесь происходит следующий эволюционный процесс: безмашинное использование метода; создание первой человеко-машинной программы; создание улучшенных модификаций программ, в которых снижается объем обрабатываемой человеком информации. Возможность использования таких эвристических методов в двух режимах (без ЭВМ и с применением машины) значительно расширяет область, перспективу и эффективность их применения.

2. Появились методы поискового конструирования, которые в любом случае без ЭВМ применять нецелесообразно (практически невозможно), как не имеет смысла использовать без ЭВМ большинство численных методов решения дифференциальных уравнений или систем уравнений. Такие методы далее будем называть машинными методами поискового конструирования.

Здесь укажем только на ряд наиболее эффективных, апробированных на практике методов, которые целе­сообразно использовать как без ЭВМ, так и с применением машин. К таким методам относятся: морфологический анализ и синтез технических систем; методы поискового конструирования с помощью различных систематизированных накопителей информации; методы основанные на системном анализе функций технических объектов; методы поиска физических принципов действия на основе банка данных по физическим эффектам и различные интегральные обобщенные методики. В настоящее время известно более трех десятков существенно отличающихся эвристических методов.