1.2 Використання методу морфологічного аналізу в пошуку нових технічних рішень

Морфологічний аналіз (МА) є одним з методів винахідництва. Розробив його швейцарський астроном Ф. Цвікки, який, використо-вуючи свій морфологічний метод, протягом декількох років одержав 16 патентів (з них тільки три – із співавторами) на нові конструкції ракетних двигунів на хімічному паливі і висувався в ряд провідних фахівців ракетобудування.

Мета морфологічного аналізу – намітити шляхи розвитку, описати всі потенційно можливі рішення даної задачі (побудувати поле можливих рішень).

Єство аналізу полягає в наступному.

У

технічній системі, що удосконалюється виділяють декілька характерних для неї структурних або функціональних морфологічних ознак. Кожна ознака може характеризувати, наприклад, якийсь конст-руктивний вузол системи, якусь її функцію, який то режим роботи системи, тобто параметри або характеристики системи, від яких залежить рішення проблеми і досягнення основної мети.

По кожній виділеній морфологічній ознаці складають список його різних конкретних варіантів, альтернатив, технічного виразу. Ознаки з їх альтернативами розташовують у вигляді таблиці і називають її морфологічним ящиком (матрицею), що дозволяє краще уявити собі пошукове поле. Перебираючи всілякі поєднання альтернативних варіантів виділених ознак, можна виявити нові варіанти рішення задачі, які при простому переборі могли бути упущені.

Основною ідеєю морфологічного аналізу є впорядкування про-цесу висунення і розгляду різних варіантів рішення задачі.

Існують різні інтерпретації морфологічного аналізу, найдоступ-нішим і застосовним для інженерних працівників є метод морфологіч-ного ящика.

1.2.1 Метод морфологічного ящика

Метод морфологічного ящика (ММЯ) є простим і універсаль-ним, тому активно використовується фахівцями різних професій.

Причини популярності методу наступні: ММЯ є єдиним "алго-рітмізірованим" методом з набору Ф. Цвикки і найдоступнішим для розуміння звичайним інженерам.

Весь морфологічний аналіз складається з 5 кроків, зформульо-ваних Цвікки [2,11]:

а) точно сформулювати проблему, що підлягає рішенню.

б) виявити і охарактеризувати всі параметри, які могли б увійти до рішення заданої проблеми.

в) сконструювати морфологічний ящик або багатовимірну матрицю, що містить всі рішення заданої проблеми.

г) всі рішення, що містяться в морфологічному ящику, уважно проаналізувати і оцінити з погляду цілей, які повинні бути досягнуті.

д) вибрати і реалізувати якнайкращі рішення (за умови наяв-ності необхідних засобів). Цей етап практичної реалізації вимагає додаткового морфологічного дослідження.

Кожний з етапів вимагає системного підходу і творчої діяльності.

Точне формулювання задачі дозволяє морфологу скласти спи-сок всіх морфологічних ознак, тобто всіх важливих характеристик об'єкту, його параметрів, від яких залежить рішення проблеми і досягнення основної мети. На третьому етапі морфолог розкриває всі можливі варіанти по кожній морфологічній ознаці шляхом складання матриці.

Кожна з п характеристик (морфологічних ознак) володіє певним числом k_i різних варіантів, незалежних властивостей, форм конкрет-ного виразу.

Поєднання одного з можливих варіантів морфологічної ознаки з іншими від кожної ознаки дає одне з можливих технічних рішень.

Структура технічної системи може бути виражена морфологічними ознаками, але поєднання їх конкретних варіантів – лише одне з безлічі технічних рішень, що витікають із закономірностей будови системи.

Сукупність всіх можливих варіантів, кожної з перерахованих морфологічних ознак, виражена у вигляді матриці, дає можливість визначити повне число рішень в цьому випадку:

.

Найвідповідальнішим етапом методу є визначення функціональної цінності всіх одержаних варіантів рішень. Оцінка характеристик повинна проводитися на універсальній і, по можливості, простій основі. Повинні бути розглянуті всі N варіантів рішень, що витікають із структури морфологічної таблиці, і проведено їх порівняння поодинці або декільком найважливішим для даної технічної системи показникам.

Знаходження оптимального варіанту може здійснюватися по кращому значенню найважливішого показника технічної системи.

Складання морфологічної матриці можна розглянути на прикладі удосконалення ліжка. Для цього визначимо морфологічні ознаки ліжка: матеріал каркасу, рами, вид матрацу, конструкція каркасу, вид основи, вид та дизайн узголів’я, узніжжя, форма ліжка, вид ніжок. Зупинимось на цьому наборі ознак, але його можна подовжити.

У матриці (табл. 1.1) міститься 5·4·3·2·4·5·6·5·2·4·4=2304000 варіантів ліжок. Кожний варіант можна позначити формулою А_iБ_jВ_kГ_l. Наприклад, варіант: А2Б2В1Г1Д2Е2Ж3З1И1К2Л1 означає наступне: ліжко з дерев'яним каркасом (А2), з дерев'яною рамою (Б2), з пружинним матрацом (пружини залежні) (В1), конструкція каркаса складається з 2х опорних спинок з двома бічними царгами (Г1), на пружинній основі (Д2), із зігнутою формою узголів'я (Е3), у вигляді грат (Ж3), з металу (З1), з узніжжям (И1), форма ліжка в плані – прямокутна (К2), без ніжок (Л1).

МА створює основу для системного мислення в категоріях основних структурних ознак, принципів і параметрів, що забезпечує високу ефективність його вживання. Він є впорядкованим способом дослідження, що дозволяє добитися систематичного огляду всіх можливих рішень даної великомасштабної проблеми.

Простий приклад морфологічного ящика показаний в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 Морфологічна матриця для об'єкту "Ліжко"

Параметри	Індекс	Варіанти виконання
		1	2	3	4	5	6
Матеріал каркасу	А	сталь	дерево	ДСП	МДФ	інше
Матеріал рами	Б	метал	дерево	ДСП	змішаний
Матрац	В	пружинний з залеж-ними пружинами	пружинний з незалежними пружинами	безпру-жинний
Конструкція каркасу	Г	2 опорні спинки з бічними царгами	4 несучих царги з навісними спинками
Основа	Д	металічна сітка	пружинна основа	на фиксованих рейках	на рухомих рейках
Форма узголів'я	Е	плоске	зігнуте	верти-кальне	похиле	без узголів'я
Дизайн узголів'я	Ж	суцільне	ажурне	грат-часте	плетене	з башточ-ками	без узго-лів'я
Материал узголів'я	З	метал	Оббивка тканиною	оббивка шкірою	дерево	слоняча кістка
Узніжжя	И	є	немає
Форма ліжка у плані	К	квадрат	прямокутник	круг	овал
Ніжки	Л	немає	залізні	дерев'яні	коліщатка

1.2.2 Переваги та недоліки МА

Найбільш доцільно використовувати МА при рішенні конструк-торських задач загального плану: при проектуванні машин і пошуку компонувальних або схемних рішень.

Переваги МА:

- у короткий строк можна запропонувати величезне число нових розв'язків за схемою ТС;

- серед запропонованих варіантів можуть виявитися надзви-чайно ефективні й перспективні;

- у таблиці представляється все пошукове поле відповідно до обраних морфологічних ознак;

- пошукове поле може бути легко розширене за рахунок додава-ння нових ознак і варіантів зі здійснення.

Недоліки МА:

- відсутні правила вибору морфологічних ознак і варіантів їх здійснення (вибір залежить від досвіду й кругозору фахівців, ведучих МА);

- немає критеріїв відбору найкращих варіантів розв'язку.