Алгоритм решения изобретательских задач

Министерство образования и науки РФ Бийский технологический институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования

" Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова"

Кафедра МСИА Реферат

АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ по теории решения изобретательских задач Выполнил студент гр. ИИТТ-94 Е. С. Белокрылов Проверил доцент каф. МСИА А.Н. Сливин

• Введение
• 1. Основные понятия и определения АРИЗ
• 2. Классификация противоречий
• 3. Логика АРИЗ
• 4. Структура АРИЗ
• 5. Пример решения задачи подводное крыло
• Заключение
• Список использованных источников

Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ) — наука, позволяющая не только выявлять и решать творческие задачи в любой области знаний, но и развивать творческое (изобретательское) мышление, развивать качества творческой личности. Не редко в основе решения задачи лежит на первый взгляд «дикая» идея. ТРИЗ дает возможность человеку не только быть готовым к таким идеям, но и получать их. Автор ТРИЗ — Генрих Альтшуллер.

Название «алгоритм решения изобретательских задач» впервые использовано в приложении к «Экономической газете» за 1 сентября 1965 года. Аббревиатура АРИЗ впервые применена в книге Г. С. Альтшуллера «Алгоритм изобретения». В дальнейшем модификации АРИЗ включали указание на год создания, например, АРИЗ-77.

1. Основные понятия и определения АРИЗ

АРИЗ — комплексная программа алгоритмического типа, основанная на законах развития технических систем и предназначенная для анализа и решения изобретательских задач, может решать стандартные и нестандартные задачи.

АРИЗ включает три основные компоненты (см. рис.1):

программу;

информационное обеспечение;

методы управления психологическими факторами.

1. Программа АРИЗ представляет собой последовательность операций по выявлению и разрешению противоречий, анализу исходной ситуации и выбору задачи для решения, синтезу решения, анализу полученных решений и выбору наилучшего из них, развитию полученных решений, накоплению наилучших решений и обобщению этих материалов для улучшения способа решения других задач. Структура программы и правила ее выполнения базируются на законах и закономерностях развития техники.

2. Информационное обеспечение питается из информационного фонда, который включает:

систему стандартов на решение изобретательских задач;

технологические эффекты (физические, химические, биологические, математические, в частности, наиболее разработанных из них в настоящее время — геометрические);

приемы устранения противоречий; способы применения ресурсов природы и техники.

3. Методы управления психологическими факторами необходимы вследствие того, что программа АРИЗ предназначена не для компьютера, а задачи решаются человеком. При решении изобретательских задач у решателя возникает психологическая инерция, которой необходимо управлять. Кроме того, эти методы позволяют развить творческое воображение, необходимое для решения сложных изобретательских задач.

К основным понятиям АРИЗ относятся: противоречия и идеальный конечный результат (ИКР).

Проектирование новых объектов чаще всего подразумевает улучшение тех или иных технических параметров системы.

Сложные изобретательские задачи (неизвестных типов) требуют нетривиального подхода, так как улучшение одних параметров системы приводит к недопустимому ухудшению других параметров. Возникают противоречия.

2. Классификация противоречий

Решение задач по АРИЗ представляет собой последовательность по выявлению и разрешению противоречий, причин, породивших данные противоречия и устранению их использованием информационного фонда.

В АРИЗ рассматриваются три вида противоречий:

поверхностное противоречие (ПП);

углубленное противоречие (УП);

обостренное противоречие (ОП).

Г. Альтшуллер их назвал соответственно:

поверхностное — административным противоречием (АП);

углубленное — техническим противоречием (ТП);

обостренное — физическим противоречием (ФП).

Поверхностное противоречие — противоречие между потребностью и возможностью ее удовлетворения. Его достаточно легко выявить. Оно часто задается администрацией или заказчиком и формулируется в виде: «Надо выполнить то-то, а как неизвестно» .

Таким образом, ПП выражается в виде нежелательного эффекта — что-то плохо, или необходимо создать что-то новое неизвестно каким образом.

Углубленное противоречие — это противоречие между определенными частями, качествами или параметрами системы. УП возникает при улучшении одних частей (качеств или параметров) системы за счет недопустимого ухудшения других, т. е. полезное действие, вызывает одновременно и вредное. УП можно рассматривать и как введение или усиление полезного действия, либо устранение или ослабление вредного действия вызывает ухудшение (в частности, недопустимое усложнение) одной из частей системы или всей системы в целом.

УП представляет собой причину возникновения поверхностного противоречия, углубляя его. В глубине одного ПП, чаще всего, лежит несколько УП.

Как правило, улучшая одни характеристики объекта, мы резко ухудшаем другие, приходится искать компромисс.

При решении технических задач, изменяют технические характеристики объекта, поэтому Г. Альтшуллер углубленное противоречие назвал техническим противоречием.

Техническое (углубленное) противоречие возникает в результате диспропорции развития различных частей (параметров) системы. При значительных количественных изменениях одной из частей системы и резком «отставании» других ее частей возникает ситуации, когда количественные изменения одной из сторон системы вступают в противоречие с другими. Разрешение такого противоречия часто требует качественного изменения этой технической системы. В этом и проявляется закон перехода количественных изменений в качественные.

Обостренное противоречие — предъявление диаметрально противоположных свойств, например, физических, к определенной части технической системы. Оно необходимо для определения причин, породивших углубленное противоречие, то есть является дальнейшим его углублением. Углубление противоречий может продолжаться и дальше для выявления первопричины.

Изучение причин, породивших углубленное техническое противоречие, в технических системах, как правило, приводит к необходимости выявления противоречивых физических свойств системы, поэтому Г. Альтшуллер назвал это физическим противоречием.

Следует обратить внимание, что в отличие от углубленного технического противоречия, принадлежащего всей системе, обостренное физическое — относится только к определенной ее части.

Таким образом, рассмотренные три вида противоречий образуют цепочку (рисунок 1): поверхностное противоречие (ПП) — углубленное противоречие (УП) — обостренное противоречие (ОП), которая определяет причинно-следственные связи в исследуемой технической системе.

Рисунок 1 — Цепочка противоречий

ПП — поверхностное противоречие; УП — углубленное противоречие; ОП — обостренное противоречие

Рассмотрим цепочку противоречий в следующей задаче:

ПП — пустые чемоданы занимают много места (нежелательный эффект). УП — чемодан необходим для перевозки вещей, но занимает много места дома, когда его не используют. ОП — чемодан должен быть большой, чтобы в него помещалось много вещей, и меленький, чтобы он не занимал много места, когда он не используется. То есть чемодан должен быть большой и маленький.

Решение: чемодан должен быть складным или использовать чемоданы в виде матрешки: меньший чемодан вкладывается в больший.

Рассмотрев противоречия, следует отметить, что решить сложную техническую задачу — значит улучшить необходимые показатели системы, не ухудшая другие. Осуществить это возможно путем выявления углубленного технического противоречия, определения причин, породивших его, или даже причины причин, то есть выявление обостренного противоречия, и устранения этих причин, разрешая обостренное физическое противоречие.

Этап выявления обостренного противоречия представляет собой точную постановку задачи. Выявление обостренного противоречия при решении технических задач требует определенной направленности поиска, что возможно только при знании ответа. Но на практике ответ, безусловно, не известен. Направленность в решении может быть достигнута ориентировкой на законы развития технических систем и, прежде всего, на закон увеличения степени идеальности технической системы: техническая система в своём развитии приближается к идеальности, достигнув идеала, система должна исчезнуть, а её функция продолжать выполняться.

Основные пути приближения к идеалу:

повышение количества выполняемых функций,

" свертывание" в рабочий орган,

переход в надсистему.

При приближении к идеалу техническая система вначале борется с силами природы, затем приспосабливается к ним и, наконец, использует их для своих целей.

Закон увеличения идеальности технической системы наиболее эффективно применяется к тому элементу, который непосредственно расположен в зоне возникновения конфликта или сам порождает нежелательные явления. При этом повышение степени идеальности, как правило, осуществляется применением незадействованных ранее ресурсов, имеющихся в зоне возникновения задачи. Чем дальше от зоны возникновения конфликта будут взяты ресурсы, тем в меньшей степени удастся продвинуться к идеалу. Другие законы технических систем рассмотрены в работе.

Идеальная техническая система — это система, которой нет, а ее функции выполняются, то есть цели достигаются без средств. ИКР — маяк, к которому следует стремиться при решении задачи. ИКР — решение, которое мы хотели бы видеть в своих мечтах, выполняемое фантастическими существами или средствами. В некоторых случаях можно говорить и об идеальной форме. Идеальная форма — обеспечивает максимум полезного эффекта, например, прочность, при минимуме используемого материала. Идеальный процесс — получение результатов без процесса, то есть мгновенно. Сокращение процесса изготовления изделий — цель любой прогрессивной технологии. Например так, постоянная борьба за повышение скорости транспортировки груза также характеризует тенденцию стремления к идеальному процессу. Увеличение скорости транспортировки груза добиваются неуклонным ростом скорости транспортных средств и сокращением времени на погрузочно-разгрузочные операции.

3. Логика АРИЗ

Логика решения задач по АРИЗ показывает взаимосвязь элементов в основной линии:

ПП — поверхностное противоречие; УП — углубленное противоречие; ИКР — идеальный конечный результат; ОП — обостренное противоречие

Рисунок 2 — Основная линия решения задач по АРИЗ

Поверхностное противоречие формулируется или в виде потребности в появлении нового свойства или действия «A» (положительного эффекта), или в виде нежелательного эффекта («анти-B»), который необходимо устранить. Далее выявляем два противоречивых требования, предъявляемых к системе. Обозначим эти требования буквами «А» и «В». Тогда углубленное противоречие может быть представлено как потребность в улучшении характеристик, удовлетворяющих требованию «А», которое приводит к недопустимому ухудшению характеристик, удовлетворяющих требованию «В» (появлению требования «анти-B»). Нежелательный эффект заключается в требованиях «В». Или наоборот — улучшение «В» за счет ухудшения «А» (появления «анти-А»).

Формулировка идеального конечного результата (ИКР) должна быть направлена на устранение нежелательного эффекта («анти Б») при сохранении положительных требований «А», то есть ИКР: А, В.

Обостренное противоречие определяется путем выявления противоречивых свойств «С» и «анти С», например, физических, которыми должен обладать элемент системы, не справляющийся с требованиями ИКР. Для этого необходимо определить, каким свойством «С» должен обладать элемент, чтобы обеспечить требование «B», то есть, чтобы устранить нежелательный эффект. Одновременно этот же элемент должен обладать противоположным свойством («анти-С»), чтобы сохранить положительное требование «A». Таким образом, элемент должен обладать свойством «С», чтобы удовлетворить требованию «B», обозначим это «С>Б», и свойством «анти-С», чтобы сохранить требование «A», обозначим это «анти С>А»).

Дальнейшее обострение противоречий осуществляется выявлением более глубинных свойств «C1», которые необходимы для создания выявленных ранее свойств «C» .

В некоторых случаях при решении сложных изобретательских задач, необходимо выявить еще более глубоко причинно-следственные связи в системе. Для этого приходится выявлять еще более глубинные свойства С₂, С₃, …С_n. Следующее по номеру свойство определяет, причину возникновения предыдущего свойства, то есть, что необходимо для выполнения этого свойства. В таких случаях выявляют несколько обостренных противоречий (ОП₁, ОП₂, ОП₃, …ОП_n).

Решение задачи (РЗ) состоит в разрешении обостренного противоречия, например, путем разделения противоречивых свойств C₁…C_n.

Полная логическая схема решения задач АРИЗ представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 — Логическая схема решения задач АРИЗ

Причем основа методики состоит в последовательном определении УП, ИКР, ОП.

4. Структура АРИЗ

АРИЗ — пошаговая программа для анализа и решения изобретательских задач. Первая модификация появилась в 1959 г. (АРИЗ-59) отражена в работе.

В структуру АРИЗ входят:

программа АРИЗ;

информационное обеспечение АРИЗ;

методы управления психологическими факторами.

1. Программа АРИЗ представляет собой последовательность операций по выявлению и устранению противоречий: анализ технических ситуаций и выбор задачи для решения, синтез решения, анализ полученных решений и выбор наилучшего из них, развитие полученных решений, накопление наилучших решений и обобщение этого материала для улучшения способа решения других задач. Структура программы и правила ее выполнения базируются на законах развития техники.

2. Информационное обеспечение, которое питается из информационного фонда, который включает в себя системы стандартов на решение изобретательских задач, технологические эффекты, приемы устранения противоречий, способы применения ресурсов природы и техники.

3. Методы управления психическими факторами. На рисунке 4 представлена структурная схема АРИЗ-85-В.

1−9 — части АРИЗ:

1. Анализ задачи. 2. Анализ модели задачи. 3. Определение ИКР и ФП. 4. Мобилизация и применение вещественно-полевых ресурсов. 5. Применение информационного фонда. 6. Изменение и/или замена задачи. 7. Анализ способа устранения ФП. 8. Применение полученного ответа. 9. Анализ хода решения.

С — ситуация, М — модель, ОП — оперативные параметры, ВПР — вещественно-полевые ресурсы, ФП — физическое противоречие, РС — структурное решение, РФ — физическое решение, РТ — техническое решение, ОР — оценка решения, ДР — другие решения, РИ — развитие идеи.

Рисунок 4 — Структурная схема АРИЗ-85-В

Цель первой части АРИЗ — перейти от поверхностного противоречия «ПП» к модели «М» задачи, представляющей собой два элемента системы: конфликтующую пару и углубленное противоречие между ними. В конце первой части модель представляют в вепольном виде и, преобразуют эту модель в соответствии с тенденциями развития вепольных систем. Тогда рекомендуется проверить решение — перейти к седьмой части (на рисунке 4 это показано стрелкой внизу), и даже если оно удовлетворяет, продолжить решение задачи по АРИЗ, начиная со второй части. Так как возможно, получим лучшее решение.

Во второй части АРИЗ в модели задачи «М» предельно сужают область исследования, определяя оперативные параметры: оперативную зону, оперативное время и вещественно-полевые ресурсы (ВПР).

В третьей части АРИЗ определяют идеальный конечный результат и обостренное противоречие. Формулируя ОП необходимо следить за выполнением логики АРИЗ, если она не соблюдена, то следует вернуться к первой части и откорректировать модель задачи (стрелка обратной связи, показанная на рисунке 4 наверху). Кроме того, осуществляют попытку получить структурное решение, используя стандарты на решение изобретательских задач. Если решение найдено, то его проверяют, переходя к седьмой части (стрелка внизу на рисунке 4) и продолжают решение, начиная с четвертой части.

В четвертой части мобилизуют и применяют вещественно-полевые ресурсы (ВПР), выявленные на второй части, для получения более идеального решения.

Пятая часть АРИЗ предназначена для разрешения обостренного противоречия (ОП). Для этой цели используется информационный фонд.

Цель шестой части АРИЗ — переход от физического решения к техническому. Для этого необходимо сформулировать технический способ осуществления физического решения, разработать конструктивное воплощение и технологическую реализацию. Если решение не получено, то рекомендуется вернуться к первой части (на рисунке 4 показано в виде петли обратной связи), заново сформулировать УП и решать задачу.

В седьмой части алгоритма осуществляется анализ полученного решения и определение его пригодности для конкретных производственных условий, то есть проводится оценка решения, сравнение его с ИКР. Степень близости полученного решения к ИКР определяет качество полученного решения.

В восьмой части осуществляется развитие идеи решения по нескольким направлениям. Изначально определяется соответствие полученного решения по уровню, проводиться анализ используемого полученного решения для других задач. Формируются новые стандарты и появляются дополнительные решения.

Цели девятой части — совершенствование навыков пользования АРИЗ и усовершенствование самого АРИЗ. Такая операция проводится путем сопоставления идеального хода решения задачи по всем шагам АРИЗ с реальным.

Таким образом постепенно совершенствуется АРИЗ.

5. Пример решения задачи подводное крыло

При движении судна на подводных крыльях, на крыле, вследствие кавитации, образуется эрозия (разъедание материала) и крыло теряет свою эффективность. Как быть?

1. Поверхностное противоречие: поток воды портит подводное крыло, и его приходится ремонтировать. Нежелательный эффект — анти, А (портит крыло). Требование, А — крыло не изнашивается.

2. Углубленное противоречие: поток воды с помощью подводного крыла поддерживает судно, но создает кавитацию и портит подводное крыло. Б — анти А. Требование Б — поддерживает судно. Требование анти, А — портит крыло.

3. Идеальный конечный результат: поток воды с помощью подводного крыла поддерживает судно (Б) и не изнашивает (А) подводное крыло.

4. Обостренное противоречие (ОП).

4.1 ОП1: Крыло должно соприкасаться (свойство С) с потоком воды, для поддержания судна (Б), и не должно соприкасаться (свойство анти С) с потоком воды, чтобы не портить крыло (А).

4.2 Краткая формулировка (ОП2).

ОП 2: Контакт между крылом и потоком воды должен быть и не должен быть.

5. Решение задачи (РЗ).

5.1 Разделение противоречивых свойств во времени. Не разрешается.

5.2 Разделение противоречивых свойств (ОП) в пространстве. Не разрешается.

5.3 Разделение противоречивых свойств в структуре. Контакт должен осуществляться через посредник или не осуществляться совсем.

Ответ 1: для предупреждения кавитационной эрозии гидродинамических профилей, например, подводных крыльев, защитный слой создают непрерывным намораживанием на поверхности корки льда. По мере ее разрушения от кавитации, толщину защитного слоя поддерживается в установленных пределах, исключающих оголение поверхности и ее эрозию под действием кавитации.

Ответ 2: крыло можно нагревать. Вокруг него будет образовываться паровой пузырь, что позволит предохранить крыло от эрозии и уменьшить сопротивление движению крылу в воде.

Ответ 3: можно использовать воду, как преимущество. В крыле необходимо сделать сквозные вертикальные каналы и за счет разности давлений на верхней Р1 и нижней Р2 поверхностях крыла вода поднимается по каналам и обтекает крыло «смывая» кавитационные пузыри.

алгоритм изобретательская задача решение Ответ 4: можно на поверхности крыла сделать лунки. Поток воды будет закручиваться в них, и образуемый слой воды не будет допускать кавитационные пузыри к поверхности крыла.

Ответ 5: можно изменить форму крыла, так чтобы кавитационные пузыри образовывались только на задней кромке крыла и потоком воды выносились за его пределы. Таким образом, всхлапывание пузырей будет происходить не на крыле.

Ответ 6: можно изменить форму крыла, так чтобы оно само создавало воздушную каверну. Это осуществляется за счет создания суперкавитации. Передняя часть крыла делается тупой. Возникает удар, который разбивает поток воды, и он как бы обходит крыло.

Ответ 7: такое решение применяется в торпедах. Они делаются «тупорылыми» или к ним на нос приделывается специальная «тарелка», которая создает суперкавитацию и вода как бы расступается.

Заключение

Глубоко проработанное техническое ядро ТРИЗ (приёмы, АРИЗ, вепольный анализ) остаётся практически неизменным, и деятельность современных школ направлена в основном на переосмысление, реструктурирование и продвижение ТРИЗ. В настоящее время отсутствуют специализированные версии ТРИЗ для стимуляции открытий в области наук. Главное препятствие в развитии ТРИЗ — отсутствие методологии анализа исходной проблемной ситуации, диагностирования и прогнозирования проблем как источника постановки целей усовершенствований социотехнических систем.

Одной из тенденций технического прогресса является обострение борьбы за авторские права разработчиков продукции. Поэтому растёт спрос на инновационную деятельность персонала и, соответственно, на методическое и программное обеспечение этих работ. Под этим углом зрения нужно расширять базу данных с полным спектром теоретических подходов.

Список использованных источников

1. Петров, В. Алгоритм решения изобретательских задач [Текст]: Учебное пособие / В. Петров. — Тель-Авив, 1999. — 255 с.: ил.

2. Жуков, Р.Ф. Современные методы научно-технического творчества [Текст] / Р. Ф. Жуков, В. М Петров. — Л: ИПК СП, 1980. — 88 с.: ил.

3. Петров, В. Законы развития технических систем [Текст]: серия из 19 статей / В. Петров. — Л: 1989.

4. Альтшуллер, Г.С. О психологии изобретательского творчества [Текст] / Г. С Альтшуллер, Р. Б. Шапиро // Вопросы психологии. 1956. — № 6. — С.37−49.