Генезис теории проектирования

Генезис теории проектирования

В теории создания технических объектов к 1970 г. в мировой практике сложилось два подхода: отечественный, названный комплексным подходом, и американский, названный системным подходом.

Комплексный подход базируется на диалектическом материализме и требует объективного, конкретного и всестороннего (комплексного) исследования объекта. Объект представляется в виде единого целого, состоящего из взаимосвязанных частей, объединенных в нем для выполнения общей целевой функции. Качественные и количественные параметры объекта оцениваются комплексно.

Системный подход рассматривает объект исследования как систему, а процесс исследования – системным. Понятие системы от- ражает закон материалистической диалектики о взаимосвязи и взаимообусловленности, целостности и организованности мира. Это значит, что при исследовании объекта невозможно понять целое, сумми- руя знания о его частях, и нельзя понять часть, не опираясь на знания о целом. Понятие системного исследования опирается на принцип диалектики об объективном, всестороннем и конкретном исследовании, когда сочетается анализ и синтез.

Системный подход раскрывает суть основного закона диалек- тики и предписывает рассматривать исследуемые объекты как систе- мы, состоящие из взаимосвязанных частей.

Таким образом, системный подход, как и комплексный подход, опирается на основной закон диалектики и позволяет глубже понять общеметодологический смысл его требований к практической деятельности. Оба подхода в отечественной практи- ке считаются эквивалентными. Нередко отмечается, что при принятии ответственных решений принимается комплексный, системный под- ход. Однако оба подхода не отражают всю совокупность принципов диалектики. Их нельзя рассматривать как самые универсальные и ба- зовые методы создания современной техники.

Кибернетический подход. В последние годы обращается вни- мание на то, что универсальный подход проектирования современной техники, оставаясь комплексным, должен включать в себя системный подход, эволюционный и управленческий подходы. Так был создан кибернетический подход. Научным фундаментом кибернетического подхода является кибернетика. Основоположник кибернетики Н. Винер в 1948 г. опре- делил кибернетику как науку об управлении и связи в животном и машине. Развитие кибернетики в СССР пошло по другому пути. При определении кибернетики на первое место выдвигались законы полу- чения, хранения и передачи информации (А.Н. Колмагоров, В.М. Глушков). С позиций инженерно-кибернетического подхода объекты техники рассматриваются как технические системы, кото- рые эволюционно развиваются и преобразуются путем управ- ленческого воздействия на них. Основой кибернетического подхода является всеобщий метод познания – диалектический метод, который используется при иссле- довании любых объектов техники, указывая общий путь к истине. Диалектический метод познания включает в себя несколько принципов. Важнейшим из них является историзм, эволюционное развитие исследуемых объектов техники. Следующий принцип диалектики предписывает всестороннее рассмотрение, изучение объекта с разных сторон, изучение всех его связей, отношений с другими объектами. Третий принцип указывает на объективность, конкретность, проверяемость знания практикой. Все эти принципы реализуются в кибернетическом подходе создания современной техники.

 

Понятие технической системы.

Техническая система – это совокупность взаимосвязанных элементов технического объекта, объединенных для выполнения определенной функции, обладающая при этом свойствами, не сводящимися к сумме свойств отдельных элементов.

 

Типы технических систем.

 

Элементы, образующие техническую систему, только относительно неделимые части целого. Например, деревообрабатывающий станок включает много сложных частей: станину, механизмы главного движения, подачи, базирования, регулирования, настройки, управления и приводы. В то же время в системе ″деревообрабатывающий цех″ с большим количеством разнообразных станков отдельный станок можно считать элементом, т. е. неделимым целым. В связи с этим по отношению к системе ″станок″ ″деревообрабатывающий цех″ называют надсистемой, а выше перечисленные части станка – подсистемами. Для любой системы можно выделить подсистему и надсистему. Для системы ″механизм главного движения станка″ части корпус подшипников, вал, режущий инструмент будут подсистемами, а станок – надсистемой. Некоторые системы выполняют по отношению к данной системе противоположные функции. Их называют антисистемами. Например, надводный корабль и подводная лодка, двигатель и тормоз – это объекты, функционирующие наоборот.

 

Идеал технических систем.

Технические системы развиваются по закону прогрессивной эволюции. Это значит, что в системе каждого поколения улучшаются критерии развития до приближения их к глобальному экстремуму. Каждая техническая система стремится к своему идеалу, когда ее параметры веса, объема, площади и т.п. приближаются к экстремальным. Идеальная техническая система та, которой как бы нет, а функции ее выполняются в полном объеме сами по себе. Закономерность идеальности ценна тем, что она подсказывает, в каком направлении должна развиваться эффективная техническая система. Принято считать систему идеальной, если она имеет одно или несколько из следующих свойств:

 

1. Размеры системы приближаются или совпадают с размерами обрабатываемого или транспортируемого объекта, а масса системы намного меньше массы объекта. Например, в древности сыпучие материалы хранили и транспортировали в глиняных сосудах, сейчас в мешках.

2. Масса и размеры технической системы или ее главных функциональных элементов должны приближаться к нулю, а в предельном случае равны нулю, когда устройства нет, а необходимая функция выполняется. Например, деление древесины на части выполняется пилой. Но вот появились лазерные установки для этих целей. Режущего инструмента как бы нет, но функции его выполняются.

3. Время обработки объекта стремится или равно нулю (результат получается сразу или мгновенно). Основной путь реализации этого свойства – интенсификация процессов, сокращение числа операций, совмещение их в пространстве и во времени.

4. КПД идеальной системы стремится к единице, а расход энергии – к нулю.

5. Все части идеальной системы выполняют без простоев полезную работу в полной мере своих расчетных возможностей.

6. Система функционирует бесконечно длительное время без простоев и ремонта.

7. Система функционирует без участия человека.

8. Идеальная система не оказывает вредного влияния на человека и окружающую среду

 

Методом научно-технического творчества называется формализуемая совокупность последовательности операций прогнозирования оптимальных параметров, в наибольшей степени отвечающих общественным или техническим потребностям.

Известные методы технического творчества можно объединить по принципу их схожести в несколько групп. Первая группа методов базируется на принципе мозговой атаки. К ней можно отнести “Метод мозгового штурма” А.Ф. Осборна, “Метод конференции идей” В. Гильде и К.Д. Штарке, “Синектики” В. Дж. Гордона. Вторая группа методов базируется на морфологическом анализе. Сюда относятся “Метод морфологического ящика” Ф. Цвикки, “Метод семикратного поиска” Г.Я. Буша, “Метод десятичных матриц поиска” Р.П. Повилейко и др.

Третья группа объединяет методы контрольных вопросов. Это “Метод контрольных вопросов” Т. Эйлоарта, “Метод контрольных вопросов” Д. Пойа и др.

Четвертая группа объединяет методы эвристических приемов, среди которых наиболее разработан метод А.И. Половинкина.

Пятая группа относится к алгоритмам решения изобретательских задач, разработанным Г.С. Альтшуллером: АРИЗ-61, АРИЗ-71, АРИЗ-77, АРИЗ-82, АРИЗ-85-В. Цифра указывает год вы- хода алгоритма (методы мощные, но сложные, здесь не приводятся).

Шестая группа объединяет стандарты на решение изобретательских задач, разработанные Г.С. Альтшуллером. Таким образом, для решения технических задач имеется достаточное количество методов. При этом первые четыре метода активизируют творческий процесс, а последние два помогают генерировать новые идеи. Для успешной работы, особенно молодым специалистам, достаточно освоить 3…5 методов.

 

Лекция)

ДОПОЛНИТЕЛЬНО:

Кибернетический подход.

В последние годы обращается вни- мание на то, что универсальный подход проектирования современной техники, оставаясь комплексным, должен включать в себя системный подход, эволюционный и управленческий подходы. Так был создан кибернетический подход. Научным фундаментом кибернетического подхода является кибернетика. Основоположник кибернетики Н. Винер в 1948 г. опре- делил кибернетику как науку об управлении и связи в животном и машине. Развитие кибернетики в СССР пошло по другому пути. При определении кибернетики на первое место выдвигались законы полу- чения, хранения и передачи информации (А.Н. Колмагоров, В.М. Глушков). С позиций инженерно-кибернетического подхода объек- ты техники рассматриваются как технические системы, кото- рые эволюционно развиваются и преобразуются путем управ- ленческого воздействия на них. Основой кибернетического подхода является всеобщий метод познания – диалектический метод, который используется при иссле- довании любых объектов техники, указывая общий путь к истине. Диалектический метод познания включает в себя несколько принци- пов. Важнейшим из них является историзм, эволюционное развитие исследуемых объектов техники. Следующий принцип диалектики предписывает всестороннее рассмотрение, изучение объекта с разных сторон, изучение всех его связей, отношений с другими объектами. Третий принцип указывает на объективность, конкретность, прове- ряемость знания практикой. Все эти принципы реализуются в кибер- нетическом подходе создания современной техники.

ВАРИАНТ ОТВЕТА

Морфологическая матрица – это комплексный методический прием обучения, в котором проблема раскладывается на ее компоненты, так что для элементов проблемы ведется поиск и соответственно вносятся по возможности большое количество компонентов решения. Дидактическая цель применения морфологической матрицы заключается в том, чтобы через перекрывание полей представить себе в полном объеме проблему а также содействовать развитию способности решать проблему при помощи структурирования и принудительного соединения. Вместе с тем, метод также стимулирует творческое решение проблемы.

Морфологический метод является систематическим, аналитическим методом решения проблем. Поставленная проблема систематически раскладывается на параметры. Эти параметры являются факторами/показателями проблемы и должны быть независимы друг от друга. Параметры и их проявления составляются в форме таблицы, в виде так называемой матрицы (двухмерной) или ящика (трехмерного). При помощи обоих видов представления можно наглядно представить взаимосвязь отношений. Изобретателем морфологического метода считается швейцарский физик и астроном Фритц Цвикки.

Морфологически метод является систематическим структурным анализом, применяемым с целью найти новые комбинации или различные возможности решения комплексной или ограниченной, технической или не технической проблемы. Кроме этого, она применима для аналитических целей, а также при инициировании инновационных процессов. Метод применим как в групповой работе, так и в индивидуальной работе

Анализ

Благодаря применению этого метода процесс решения проблемы систематизируется, но он также служит для нахождения новых идей и для творческого решения проблем. Морфологическая матрица делает возможным рассмотрение комплексных проблем и различных постановок задач, поскольку представление проблемной области может осуществляться четко и понятно. Метод полезен в тех случаях, когда при большом количестве вариантов решения необходимо разработать приоритеты. Особенно целесообразно применение метода морфологическая матрица в фазе генерирования идей. Благодаря визуализации метод облегчает комбинирование многих решений для компонентов в общее решение. Новые идеи возникают в результате принудительного соединения оптимальных проявлений, которые могут вести к необычным комбинациям. Следующим преимуществом морфологической матрицы является в некотором роде автоматическое протоколирование результатов посредством записывания (на листе бумаги или при помощи корточек на доске и пр.) в матрицу или в ящик.

 

2 вариант ответа

В 1942 г. швейцарский астроном Ф. Цвикки предложил метод поиска решений технических задач, названный им морфологическим (типологическим) анализом (морфологический — касающийся внешнего вида или строения, т.е. формы). С помощью этого метода за короткое время ему удалось получить значительное количество оригинальных технических решений, чем он очень удивил ведущих специалистов и руководителей своей фирмы (баллистическое устройство, взрывчатые вещества, способ комбинированной фотографии и др.).

Суть его заключается в следующем. В технической системе выделяют несколько характерных для нее структурных или функциональных морфологических признаков. Каждый такой признак может характеризовать какой-то конструктивный режим работы, т.е. параметры или характеристики объекта, от которых зависит достижение объектом основной цели, определяемой его назначением.

По каждому признаку составляется список его возможных конкретных вариантов, альтернатив, технического выражения. Признаки можно расположить в форме таблицы, называемой морфологическим ящиком или матрицей. Это позволяет определить поисковое время. Перебирая сочетания вариантов выделенных признаков, можно выявить новые решения задачи. Поэтому морфологический анализ часто применяют не для поиска какого-либо одного решения, а в тех случаях, когда требуется исследовать область возможных решений.

В результате направленного и системного анализа генерируется новая информация, которая при простом переборе вариантов ускользает от внимания.

Как уже было отмечено, морфологический анализ позволяет создавать конструкции новых устройств, обладающих требуемыми качествами. В наиболее простом случае для этого составляется двумерная (содержащая две оси или два главных показателя) матрица. По обеим осям записываются все возможные варианты решения задачи для заданных показателей (характеристик). Затем рассматриваются все возможные сочетания вариантов по каждой оси.

Содержание метода.

Для проведения морфологического анализа необходима точная формулировка проблемы для рассматриваемой системы. В итоге даётся ответ на более общий вопрос посредством поиска всевозможных вариантов частных решений, независимо от того, что в исходной задаче речь шла только об одной конкретной системе.

Этапы решения задачи с помощью морфологического анализа ее параметров.

1. Формулировка задачи (проблемы).

2. Составление списка всех морфологических признаков объекта задачи, т.е. всех важных характеристик объекта, его параметров и режимов работы, от которых зависит реализация объектом своей главной цели.

3. Раскрытие возможных вариантов по каждому морфологическому признаку и составление морфологической матрицы.

4. Формулировка конкретных решений задачи путем сочетаний вариантов морфологических признаков.

5. Определение практической ценности полученных вариантов решения задачи и выбор из них наиболее эффективных

Морфологический анализ позволяет осуществлять и более глубокий системный анализ вариантов решения задачи путем применения метода к конкретному варианту решения, т.е. для определенного технического решения задачи снова выделяют морфологические признаки и осуществляют их синтезированный перебор.

Недостаток метода — обилие вариантов, из которых трудно выбрать наилучший. Кроме этого, морфологический анализ не позволяет определить, все ли возможные варианты рассмотрены.

Пример.

Например, необходимо предложить новую эффективную конструкцию устройства для транспортирования по снегу — снегохода.

Точное определение класса изучаемых систем (устройств) позволяет раскрыть основные характеристики или параметры, облегчающие поиск новых решений. Применительно к снегоходу как транспортному средству морфологическими признаками могут быть функциональные узлы снегохода: А — двигатель, Б — движитель, В — опора кабины, Г — управление, Д — обеспечение заднего хода и т. п. Номиналистически снегоход может представляться как дирижабль. Кажущаяся бессмыслица показывает насколько важно соблюдение формы информации в структуре.

Каждая характеристика (параметр) обладает определённым числом различных независимых свойств. Так, двигатели: А₁ — внутреннего сгорания, А₂ — газовая турбина, А₃ — электродвигатель, А₄ — реактивный двигатель т.д.;
движители: Б₁ — воздушный винт, Б₂ — гусеницы, Б₃ — лыжи, Б₄ — снегомёт, Б₅ — шнеки и т. д.;
опора кабины: В₁ — опора кабины на снег, В₂ — на двигатель, В₃ — на движитель и т. д.;

По заданной проблеме в матричном выражении (морфологическом ящике) фиксируются наиболее существенные параметры.
Например, для снегохода матрица будет иметь вид:

(А₁ А₂ А₃ А₄)

(Б₁ Б₂ Б₃ Б₄ Б₅)

(В₁ В₂ В₃)

Возможные сочетания: А₁, Б₃, В₂, или А₁, Б₂, В₃, или А₂, Б₁, В₂ и т. д. Общее количество сочетаний в морфологическом ящике равно произведению чисел элементов на осях. В нашем примере: 4*5*3 = 60.

Матрица — символическая форма описания решений. Она дает представление о всех возможных конструктивных схемах снегохода путем фиксирования в каждой строке матрицы одного из элементов. Набор этих элементов будет представлять возможный вариант исходной задачи. Рассматривая разные сочетания этих элементов, можно получить большое сочетание всевозможных вариантов решений, в том числе и самых неожиданных. Так, морфологическая матрица для реактивных двигателей, работающих на химическом топливе, построенная Ф. Цвикки, содержала 576 возможных вариантов решений.

Ответственный этап метода — оценка вариантов решений, вытекающих из структуры морфологической матрицы. Сравнивают варианты по одному или нескольким наиболее важным для данной технической системы показателям.

Морфологический ящик.

	характеристика	свойства
							…
А	двигатель	внутреннего сгорания	газовая турбина	электродвигатель	реактивный двигатель		…
Б	движитель	водяной винт	гусеницы	лыжи	снегомёт	шнеки	…
В	опора кабины	на грунт	на двигатель	на движитель			…
Г	управление						…
Д	обеспечение заднего хода						…

 

Форсирование веполей

Представленные стандарты позволяют увеличить эффективность веполей без введения новых полей и веществ. Достигается это форсированным использованием имеющихся вещественно-полевых ресурсов.

Общая схема формулировок стандартов этого подкласса следующая:

Если дана вепольная система, ее эффективность может быть повышена:

а) заменой неуправляемого рабочего поля управляемым;

б) увеличением степени дисперсности вещества, играющего роль инструмента;

Особый случай дробления - переход от сплошных веществ к капиллярно-пористым. Переход этот осуществляется по линии:

сплошное вещество - вещество с одной полостью - вещество со многими полостями - капиллярно-пористое вещество - капиллярно-пористое вещество с определенной структурой;

в) увеличения степени динамизации, т.е. перехода к более гибкой структуре;

г) переходом от однородных полей к полям, имеющим определенную пространственно-временную структуру;

д) переходом от веществ однородных к веществам неоднородным, имеющим определенную структуру.

Генезис теории проектирования

В теории создания технических объектов к 1970 г. в мировой практике сложилось два подхода: отечественный, названный комплексным подходом, и американский, названный системным подходом.

Комплексный подход базируется на диалектическом материализме и требует объективного, конкретного и всестороннего (комплексного) исследования объекта. Объект представляется в виде единого целого, состоящего из взаимосвязанных частей, объединенных в нем для выполнения общей целевой функции. Качественные и количественные параметры объекта оцениваются комплексно.

Системный подход рассматривает объект исследования как систему, а процесс исследования – системным. Понятие системы от- ражает закон материалистической диалектики о взаимосвязи и взаимообусловленности, целостности и организованности мира. Это значит, что при исследовании объекта невозможно понять целое, сумми- руя знания о его частях, и нельзя понять часть, не опираясь на знания о целом. Понятие системного исследования опирается на принцип диалектики об объективном, всестороннем и конкретном исследовании, когда сочетается анализ и синтез.

Системный подход раскрывает суть основного закона диалек- тики и предписывает рассматривать исследуемые объекты как систе- мы, состоящие из взаимосвязанных частей.

Таким образом, системный подход, как и комплексный подход, опирается на основной закон диалектики и позволяет глубже понять общеметодологический смысл его требований к практической деятельности. Оба подхода в отечественной практи- ке считаются эквивалентными. Нередко отмечается, что при принятии ответственных решений принимается комплексный, системный под- ход. Однако оба подхода не отражают всю совокупность принципов диалектики. Их нельзя рассматривать как самые универсальные и ба- зовые методы создания современной техники.

Кибернетический подход. В последние годы обращается вни- мание на то, что универсальный подход проектирования современной техники, оставаясь комплексным, должен включать в себя системный подход, эволюционный и управленческий подходы. Так был создан кибернетический подход. Научным фундаментом кибернетического подхода является кибернетика. Основоположник кибернетики Н. Винер в 1948 г. опре- делил кибернетику как науку об управлении и связи в животном и машине. Развитие кибернетики в СССР пошло по другому пути. При определении кибернетики на первое место выдвигались законы полу- чения, хранения и передачи информации (А.Н. Колмагоров, В.М. Глушков). С позиций инженерно-кибернетического подхода объекты техники рассматриваются как технические системы, кото- рые эволюционно развиваются и преобразуются путем управ- ленческого воздействия на них. Основой кибернетического подхода является всеобщий метод познания – диалектический метод, который используется при иссле- довании любых объектов техники, указывая общий путь к истине. Диалектический метод познания включает в себя несколько принципов. Важнейшим из них является историзм, эволюционное развитие исследуемых объектов техники. Следующий принцип диалектики предписывает всестороннее рассмотрение, изучение объекта с разных сторон, изучение всех его связей, отношений с другими объектами. Третий принцип указывает на объективность, конкретность, проверяемость знания практикой. Все эти принципы реализуются в кибернетическом подходе создания современной техники.