Методы и средства теории решения изобретательских задач

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

 

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Машиностроительный  факультет

 

Кафедра «Технология машиностроения»

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

по дисциплине «Основы инженерного творчества »

 

Тема: « Методы и средства теории решения изобретательских задач »

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           Исполнитель: КрахмальчикА.А.

                                            студент группы 103119

 

Руководитель: Кане М.М.

 

 

 

 

 

 

Минск 2013

Содержание

 

Содержание…………………………………………………………………….….2

Аннотация………………………………..…………………………………….….3

Введение………………………..……………………………………………….…4

 

1. Основы ТРИЗ..……………………………………………………..…..…….....5

2. Методы и средства, применяемые в теории решения изобретательских задач…..……………………………………………………………………..…..…7

3. Рекомендации по  использованию методов ТРИЗ…...……………………..12

4. Обзор ряда современных методов инженерного творчества…..........…......14

4.1. Методы фокальных объектов и гирлянд ассоциаций…………………….14

4.2. Метод контрольных вопросов…………………………..….…………....…16

4.3. Метод матриц открытий…………...………………………………..….......18

4.4. Метод десятичных матриц поиска (ДМП)…………………..……..….......18

4.5 Метод организующих понятий…….…………………………………….....19

4.6. Метод функционального конструирования……………………………….20

4.7. Обобщенный эвристический метод……………….……………….……....21

 

_{Заключение…………………………………………………………………….…24}

_{Литература…………………………………………………………………….…25}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аннотация

 

В данном реферате рассматриваются все основные методы и средства теории решения  изобретательских задач , среди которых присутствуют как основное классические методы, так и наиболее реже применяемые методы.

По всем применяемым методам приводятся их особенности, условия проведения, а также наиболее значимые достоинства  и недостатки. По каждому из методов  изложена его суть и задача. Также  приведены контрольные вопросы, которые составляются на основе опыта решения схожных задач.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

ТРИЗ — теория решения изобретательских задач — область знаний, исследующая механизмы развития технических систем с целью создания практических методов решения изобретательских задач. «Цель ТРИЗ: опираясь на изучение объективных закономерностей развития технических систем, дать правила организации мышления по многоэкранной схеме.» Автор ТРИЗ — Генрих Саулович Альтшуллер.

Работа над ТРИЗ была начата Г. С. Альтшуллером и его коллегами в 1946 году. Первая публикация — в 1956 году — это технология творчества, основанная на идее о том, что «изобретательское творчество связано с изменением техники, развивающейся по определённым законам» и что «создание новых средств труда должно, независимо от субъективного к этому отношения, подчиняться объективным закономерностям». 

Появление ТРИЗ было вызвано потребностью ускорить изобретательский процесс, исключив из него элементы случайности: внезапное  и непредсказуемое озарение, слепой перебор и отбрасывание вариантов, зависимость от настроения и т. п. Кроме того, целью ТРИЗ является улучшение качества и увеличение уровня изобретений за счёт снятия психологической инерции и усиления творческого воображения.

Основные функции и области  применения ТРИЗ:

1. решение изобретательских задач любой сложности и направленности;
2. прогнозирование развития технических систем;
3. пробуждение, тренировка и грамотное использование природных способностей человека в изобретательской деятельности (прежде всего образного воображения и системного мышления);
4. совершенствование коллективов (в том числе творческих) по направлению к их идеалу (когда задачи выполняются, но на это не требуется никаких затрат).

ТРИЗ не является строгой научной теорией. ТРИЗ представляет собой обобщённый опыт изобретательства и изучения законов развития науки и техники.

В результате своего развития ТРИЗ вышла  за рамки решения изобретательских задач в технической области, и сегодня используется также в нетехнических областях (бизнес, искусство, литература, педагогика, политика и др.).

 

 

 

1. Основы ТРИЗ

Основой ТРИЗ являются программа последовательных операций для выявления и устранения технических противоречий, средства управления психологическими факторами  и информационный фонд. Техническое  противоречие проявляется тогда, когда  известными способами при попытке  улучшить одну часть (или один параметр) технической системы недопустимо  ухудшается другая часть (или другой параметр). Например, заманчиво делать ткани и одежду из прочных полимерных пленочных материалов. Но тут возникает  противоречие. Ткань, идущая на одежду, должна иметь мельчайшие поры, чтобы  пропускать воздух и пары. А если в пленочной ткани сделать  поры, ее прочность резко снизится. Каждое техническое противоречие обусловлено  конкретными физическими причинами. В приведенном примере ткань  должна иметь поры, чтобы пропускать воздух, и в то же время не должна иметь пор с целью повышения  прочности. Это — физическое противоречие (ФП): к одной и той же части  системы предъявляются взаимно  противоположные требования. Известны принципы разрешения физических противоречий (например, разделение противоречивых свойств в пространстве или во времени).

Разрешение физических противоречий необходимо для устранения конфликта, из-за которого возникла задача. В структуре  программы и правилах выполнения отдельных операций отражены объективные  закономерности развития технических  систем.

Поскольку программу реализует  человек, АРИЗ предусматривает операции по управлению психологическими факторами. Эти операции позволяют гасить психологическую  инерцию, которая обычно присуща  каждому человеку, и стимулировать  работу воображения. Разрешение физических противоречий необходимо для устранения конфликта, из-за которого возникла задача.

Научно-техническая революция требует, чтобы задачи высших уровней решались во все более короткие сроки. Обычный  путь интенсификации процесса решения  состоит в увеличении числа людей, одновременно работающих над одной  проблемой. Но возможности такой  интенсификации почти исчерпаны: сосредоточение большого числа людей на решении  одной технической проблемы ведет  к уменьшению интенсивности работы на других направлениях.

Нужен способ перевода изобретательских задач с высших уровней на низшие. Если задачу четвертого или пятого уровня удастся перевести на первый или второй уровень, далее сработает обычный перебор вариантов. Вся проблема в том, чтобы уметь быстро сужать поисковое поле, превращая «трудную» задачу в «легкую».

 

Когда техническая проблема встаёт перед изобретателем впервые, она  обычно сформулирована расплывчато  и не содержит в себе указаний на пути решения. В ТРИЗ такая форма  постановки называется изобретательской ситуацией. Главный её недостаток в том, что перед инженером оказывается чересчур много путей и методов решения. Перебирать их все трудоёмко и дорого, а выбор путей на удачу приводит к малоэффективному методу проб и ошибок.

Поэтому первый шаг на пути к изобретению — переформулировать ситуацию таким образом, чтобы сама формулировка отсекала бесперспективные и неэффективные пути решения. При этом возникает вопрос, какие решения эффективны, а какие — нет?

Г. Альтшуллер предположил, что самое эффективное решение проблемы — такое, которое достигается «само по себе», только за счёт уже имеющихся ресурсов. Таким образом он пришёл к формулировке идеального конечного результата (ИКР): «Некий элемент (X-элемент) системы или окружающей среды сам устраняет вредное воздействие, сохраняя способность выполнять полезное воздействие».

На практике идеальный конечный результат редко достижим полностью, однако он служит ориентиром для изобретательской мысли. Чем ближе решение к ИКР, тем оно лучше.

Получив инструмент отсечения неэффективных  решений, можно переформулировать  изобретательскую ситуацию в стандартную мини-задачу: «согласно ИКР, всё должно остаться так, как было, но либо должно исчезнуть вредное, ненужное качество, либо появиться новое, полезное качество». Основная идея мини-задачи в том, чтобы избегать существенных (и дорогих) изменений и рассматривать в первую очередь простейшие решения.

Формулировка мини-задачи способствует более точному описанию задачи:

• Из каких частей состоит система, как они взаимодействуют?
• Какие связи являются вредными, мешающими, какие — нейтральными, и какие — полезными?
• Какие части и связи можно изменять, и какие — нельзя?
• Какие изменения приводят к улучшению системы, и какие — к ухудшению?

 

 

 

 

2. Методы и средства, применяемые в теории решения изобретательских задач

В ТРИЗ разработан комплекс методов  и средств для решения инженерных задач различной сложности:

1. Типовые приемы устранения технических противоречий.

2. Стандарты на решение типовых изобретательских задач с применением вепольного анализа

3. Алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ), рекомендуемый для нетиповых, сложных задач.

4. Фонды физических и химических эффектов и явлений, применяемых при решении изобретательских задач

В последние годы авторы ТРИЗ разработали  также ряд специальных методик и рекомендаций [3]:

1.Методические рекомендации по формулированию и решению исследовательских задач.

2.Скрытые резервы совершенствования продукции.

3.Методические рекомендации по выявлению и формулированию задпч

4.Методика проведения прогноза на базе ТРИЗ.

5.Типовые ошибки в формулировании задач и приемы их устранения

6.Типовые ошибки в развитии технических систем.

Как видно из этих перечней, уже  накоплен большой и разнообразный  материал, для освоения которого требуется (в зависимости от степени глубины  проработки), по мнению авторов ТРИЗ [3], от 40 до 240 ч учебных занятий и не менее 200 ч самостоятельной работы. Здесь будет приведено лишь краг кое описание областей применения и структуры основных инструмент о» ТРИЗ.

Типовые приемы устранения технических  противоречий.

Научно обоснованный поиск приемов  решения изобретательских задач начался лишь в 50-60-х годах XX в. в рамках .ТРИЗ. На основе анализа больших массивов патентной информации (свыше 40 тысяч изобретений, в осин» ном, не ниже второго уровня) удалось выделять действительно сильные при» мы, которые эффективно срабатывали не менее чем в 80-100 изобретениях.

Так было выявлено 40 типовых приемов Для организации их использования была разработана специальная таблица [3], в которой по вертикали располагаются 39 характеристик технических систем, которые по условиям задачи необходимо улучшить (вес, длина, площадь, объем подвижного или неподвижного объекта, скорость, напряжение, устойчивость, прочность) По горизонтали - те же 39 характеристик, которые при этом недопустимо ухудшаются.

Допустим, нам надо что-то улучшить в нашей системе. Выбираем один m известных методов, способных это сделать. Если улучшение достигается без вредных последствий, то проблема решена, изобретательская задача отсутствует. Если же использование известных методов или средств приводит к какому-либо вредному эффекту, то обращаемся к таблице. на пересечении граф и колонок с наименованиями улучшаемой и ухудшаемой характеристик находим номера приемов, позволяющих с наибольшей вероятностью устранить возникшее техническое противоречие. Список приемов, регламентируемых ТРИЗ |3], содержит также примеры их применения.

Стандарты на решение типовых  изобретательских задач с использованием вепольного анализа.

Анализ патентного фонда показал, что все изобретательские задачи можно разделить на два вида: типовые  и нетиповые. Типовые решаются но четким правилам в один - два хода. Правила, основанные на известных законах развития технических систем, указывают, как должна быть преобразована сходная система. Называются такие правила стандартами на решение изобретательских задач, а совокупность этих правил, определенным образом классифицированных, называется системой стандартов.

Задачи, которые сегодня относятся  к нетиповым, завтра, после выявления еще не известных закономерностей, могут тоже стать типовыми.

Стандарты на решение изобретательских задач появились как особо  сильные сочетания приемов и  физических эффектов и составили первую, еще немногочисленную группу стандартов. К этой группе были присоединены правила преобразования технических систем, вытекающие из законов развития. Возникла система стандартов, регулярно дополняемая и совершенствуемая. Современная система, включающая 76 стандартов, приведена в [6. прил. 4].

Все стандарты разбиты на 5 классов. Порядок их расположения отражает направление развития технических систем.

Класс 1 - построение и разрушение вепольных моделей - включает ряд конкретных преобразований по достройке и разрушению веполей в зависимого от тех или иных ограничений, приведенных в условиях исходных задач.

Класс 2 - развитие веполышх моделей - описывает способы, позволяющие путем сравнительно небольших усложнений существенно повысить эффективность работы соответствующей модели технической системы.

Класс 3 - переход к надсистеме и на микроуровень - продолжает линию стандартов  класса 2 на форсирование вепольных моделей. Стандарты классов I и 3 базируются на использовании законов развития технических систем, в том числе законов развертывания - свертывания, повышения динамичности и управляемости, перехода на макроуровень, согласования и рассогласования и т.д.

Класс 4 - стандарты на обнаружение и измерение систем - составляю! особый комплекс, поскольку решение таких задач имеет ряд характерных особенностей. Но в целом направление развития измерительных систем соответствует общим законам развития, вследствие чего стандарты этого класса имеют много общего со стандартами классов 1 - 3.

Класс 5- стандарты на применение стандартов - имеет важное значение для получения эффективных решений изобретательских задач. Многие задачи могут быть решены "с позиции силы" - прямым введением в систему дополнительных веществ и полей. Такие решения бывают малоэффективны. Для получения изобретения высокого уровня нужно преодолеть противоречие, вещество (или поле) должно быть введено и не должно быть введено Пятый класс стандартов показывает пути преодоления таких противоречий. Применение большинства стандартов 1 - 4 классов приводит, по сути дела, к развертыванию технической системы. Пятый класс стандартов предназначен для свертывания полученных моделей.

Порядок применения стандартов следующий

Следует определить, какого рода предлагаемая задача: на изменение или измерение (обнаружение). Если задача на изменение, то нужно построить исходную вепольную модель исхода из условий задачи. Если исходная модель - неполный веполъ, то необходимо обратиться к стандартам подкласса 11, если вредный веполь - к стандартам подкласса 1.2, если неэффективный - к стандартам классов 2 и 3. Если задача на измерение, следует использовать стандарты класса 4.

Найдя решение, проверить, нельзя ли свернуть полученную модель с помощью стандартов класса 5. К этому же классу нужно  обращаться в случаях, если в условиях задачи имеется запрет па введение веществ или полей

Следует подчеркнуть, что система  стандартов проста, логична, позволяет на высоком уровне решать 10-20% сложных современных задач. Кроме того, стандарты могут быть использованы для прогнозирования, частичного решения нестандартных задач, для развития полученных решений.

Пример использования стандартов.

Задача. При осаждении металлов электролизом из водных растворов возникает проблема отделения осадка (продукции) от катода (инструмента). Операция эта весьма трудоемкая и производится вручную Как быть ?

Задача на изменение. Исходная вепольная модель: В1 - катод, В2 слой осажденного металла, Л - вредное поле "прилипания" металла к катоду. Необходимо обратиться к подклассу 1.2. По стандарту 1.2.2 между катодом и слоем осажденного на катоде металла должна быть прослойка - легко образующаяся, электропроводная, легко разрушающаяся Такую прослойку получают, покрывая катод рыхлым губчатым слоем осаждаемого металла, который наносят электролитически в режиме предельного тока.

Алгоритм решения изобретательской задач (АРИЗ).

Система стандартов в нынешнем виде, по мнению авторов ТРИЗ, позволяет уверенно решать около 70% изобретательских задач и еще в 10 - 15% случаев заметно облегчает путь к ответу. Однако остается еще значительное количество нетиповых, многоходовых задач, не поддающихся решению за 1 прием и требующих постепенной обработки шаг за шагом. Для их решения используется программа, использующая все методы и средства ТРИЗ (законы развития технических систем, вепольный анализ, стандарты, информационный фонд), которая называется алгоритмом решения изобретательских задач (АРИЗ).

Первые модификации АРИЗ появились в 50-е гг, XX в. С тех пор АРИЗ систематически совершенствуется. Последовательно были разработаны и опубликованы модификации АРИЗ-в 1959, 1961, 1964, 1965, 1968, 1971, 1977, 1982, 1985 гг. Были опробованы и промежуточные модификации. Например, были опробованы три модификации АРИЗ-71 (А, Б, В). Сегодня последней опубликованной модификацией является АРИЗ-85В. Каждая модификация АРИЗ включает три компонента [3]:

1.Основой АРИЗ является программа последовательных операций по выявлению и устранению противоречий. Программа позволяет шаг за шагом переходить от расплывчатой исходной ситуации к четко постайленной задаче, затем к предельно упрощенной модели задачи и анализу противоречий. В программе (в самой ее структуре, в правилах яо выполнению отдельных операций) отражены объективные законы развития технических систем.

2. Поскольку программу реализует человек, необходимы средства управления психологическими факторами: нужно гасить психологическую инерцию и стимулировать работу воображения. Значительное психологическое воздействие оказывает само существование и применение АРИЗ: работа по программе придает уверенность, позволяет смелее выходить за пределы уз кой специализации и, главное, все время ориентирует работу мысли в наиболее перспективном направлений. Но нужны и конкретные приемы, усиливающие воображение.

Важным психологическим приемом, позволяющим глубоко проникнуть в суть задачи, является требование формулировки задач без специальных  терминов, на языке, понятном даже ребенку. Еще одним эффективным способом подавления психологической инерции является "моделирование маленькими человечками" (ММЧ) - использование нарисованных, но определенным правилам условных картинок, на которых требуемое действие выполняется группой маленьких человечков, олицетворяющих те или иные реальные физические объекты. В сущности, в основе этих приемов лежат тоже объективные закономерности, но еще не вполне ясные. По мере развития АРИЗ психологические приемы превращаются в приемы преобразования задачи.

3. АРИЗ снабжен обширным и в то же время компактным информационным фондом. Основные составляющие этого фонда указатели физически» химических, Геометрических эффектов я. явлений.

Несколько слов о наиболее используемом фонде физических эффектов. Известно свыше наш тысяч физических эффектов и явлений - таких, напри мер, как кампания, муаровый эффект, пьезоэффект и др. Каждый эффект может служить ключом к большой группе изобретательских задач. Однако монадой специалист в лучшем случае знает 150 - 250 эффектов и явлений. Примем, поскольку физику изучают обычно не с точки зрения ее изобретательских возможностей, редко кто умеет творчески применить даже хорошо известные эффекты. В АРИЗ [6, прил. 6] информация о физических эффектах приведена в виде, облегчающем их применение для решения технических задач. Фонд представляет собой таблицу, в левой части которой приведен перечень 30 требуемых действий или свойств ТО (измерение, повышение н понижение температуры, управление движением жидкости, газа и т.д.), а в правой части - физическое явление, эффект, фактор, способ, с помощью которого этого действия можно достичь.

Современная модификация АРИЭ-85В [6, прил. 5] включает восемь частей: 1) анализ задачи; 2) анализ модели задачи; 3) определение ИКР и ФП, 4) мобилизация и применение вещественно-полевых ресурсов (ВИР);   5) применение информационного фонда; 6) изменение и (или) замена задачи. 7) применение полученного ответа; 8) анализ хода решения.

3. Рекомендации по использованию методов ТРИЗ

 Практика показала, что разные инструменты ТРИЗ обладают разной эффективностью в зависимости от уровня решения задач, требуют разного времени для усвоения и применения. Примерные оценки эффективности и областей применения различных методов ТРИЗ приведены на рис.

Приемы для устранения технических  противоречий (ЭП) - самый про стой для изучения и применения инструмент Для хорошего овладения им требуется 10-12 учебных часов и 10-20 часов самостоятельной работы. Сам процесс решения задачи для подготовленного специалиста занимает несколь ко часов.

Вепольный анализ и стандарты на решение изобретательских задач дли освоения требуют примерно такого же времени, в основном, на отработку техники построения вепольных формул и на тренировку в поиске необходимых для данной задачи стандартов. Затраты времени на процесс решения также невелики.

Эти методы дают в кедом решения  более высокого уровня, чем приема ЭП, хотя обе эти группы методов недостаточно эффективны при решении плохо поставленных .задач, когда имеется не изобретательская задача, а изобретательская ситуация.

 

 

 

 

 

Эффективность решения

Рис.3.1. Сравнительная эффективность разных методов ТРИЗ и метода проб и ошибок в решении задач разных уровней:

 а - метод проб и ошибок; б - приемы разрешения технических противоречий; в - вепольный анализ и стандарты на решение изобретательских задач, г - АРИЗ (кривая заканчивается пунктиром из-за недостатка опытных данных в области задач высшего уровня)

В последнем случае гораздо эффективнее АРИЗ. Для его практического освоения требуется гораздо больше времени и усилий - не менее 40-60 учебных часов и до 200 часов самостоятельной работы Решение задач с помощью АРИЗ также достаточно трудоемко - десятки, а порой и сотни рабочих часов. Тем, не менее с помощью этого метода могут быть решены задачи, которые десятилетия ждут своего решения.

Для облегчения выбора методов ТРИЗ могут быть предложены следующие рекомендации

1. Определить тип задачи: на изменение,  пли измерение системы, исследовательская  ( решается в последовательности, приведенной в [3, прил. 8]),

2.Построить исходную вепольную модель задачи и преобразовать ее в зависимости от вида исходной модели по стандартам классов !, 4. Рассмотреть возможность развития решения по стандартам классов 2, 3 и повышения его идеальности по стандартам класса 5. При необходимости могут быть привлечены указатели физических, химических и других эффектов

3.Если в задаче сформулировано техническое противоречие либо оно появилось при попытке решения, в том числе и по стандартам, рассмотреть возможность его устранения с помощью типовых приемов.

4. Решить задачу по АРИЗ.

Эффективным средством повышения  эффективности ТРИЗ является применение вычислительной техники. Группой специалистов по ТРИЗ пол руководством В.М. Цурикова (г. Минск) разработана интеллектуальная система поддержки изобретателя Изобретающая машина (ИМ). В основе системы лежит высокого уровня машинный Язык "Си ++" Конечно, ЭВМ сама задачи не решает. Она Предлагает решающему подходящие к той или иной конкретной задаче инструменты ТРИЗ, подсказывает задачи - аналоги, напоминает о физических, химических и других эффектах, доброжелательными вопросами помогает изменить задачу, оценить степень идеальности полученных решений. Применение ИМ позволяет не только быстро и эффективно решать задачи, но и резко ускоряет процесс освоения ТРИЗ. Сегодня на базе ИМ отрабатываются программы, целевые алгоритмы, предназначенные для отдельных типов задач, снабженные специально подобранным информационным фондом и т.п. Разработанные программы доказали свою эффективность, признаны во многих развитых странах и все более широко применяются.

4. Обзор ряда современных методов инженерного творчества

4.1. Методы фокальных объектов и гирлянд ассоциаций

Метод фокальных объектов "(МФО) основан на перенесении признаков  случайно взятых объектов на прототип, который лежит как бы в фокусе переноса. Применяют метод в следующем порядке:

1.Выбор фокального объекта. Например, часы.

2.Выбор 4 - 6 случайных объектов. Например, кино, змея, цветок, касса.

3. Составление списков признаков случайных объектов. Например, кино цветное , звуковое, широкоэкранное, объемное, высокой четкости.

4. Генерирование идей  путем присоединения к фокальному объекту признаков случайных объектов (широкоэкранные часы, объемные часы, звуковые часы и т.д.)

5. Оценка полученных идей и отбор полезных решений. Целесообразно для этого привлекать эксперта и совместно отобрать наиболее перспективные предложения.

Метод фокальных объектов достаточно прост и позволяет совершенствовать уже существующие технические объекты. Например, расширить функциональные возможности объекта, изменить форму и внешний вид Наибольший эффект дает метод при поиске нового ассортимента бытовых товаров и различных предметов потребления.

Непосредственным предшественником метода фокальных объектов является метод каталога, предложенный в 1926 г. профессором Берлинского университета Э.Кунце, согласно которому нужно наугад открыть любой каталог (словарь, книгу, журнал), взять любое слово и состыковать его с названием совершенствуемого объекта (прототипа). Например, если прототипом является "фреза", а случайным словом "снег”, то получается сочетание "снежная фреза". Это сочетание можно развить, используя ассоциации: ледяная фреза, холодная фреза, скользкая фреза.