Морфологический анализ

Многие биографы талантливых деятелей науки и техники отмечают у них склонность классифицировать всех и вся. Ландау, например, в студенческие годы составил классификацию зануд. К первому классу причис­лил «гнусов» - грубиянов, драчунов, скандалистов, ко второму - «моралиников» (выделяют продукт морали - моралин), к третьему - «постников» (отличаются недовольным, постным выражением лица), к четвертому - «обидчивых» (всегда на кого-нибудь в обиде). Классифицирование позволяет быстрее и точнее ориентироваться в многообразии понятий и фактов. Оно является одним из важнейших элементов творческой деятельности. Не случайно, поэтому морфологический анализ, один из наиболее распространенных методов технического по­иска, основан на классифицировании.

Термин «морфология» (учение о форме: от греческого morphe - форма и logos - учение) ввел в 1796г., Гете - основоположник морфологии организмов, учения о форме и строении растений и животных. Это не час­тый случаи, когда словотворчество поэта получило широкое признание и распространение во многих науках (в дальнейшем появились морфология человека, морфология почв и т. д.).

Автор нового метода поиска Ф. Цвикки. известный швейцарский астроном, не дал развернутого определения понятию «морфологический анализ». Он лишь указал, что это - метод, нахождения всех вариантов решения проблемы. Впервые морфологический анализ был применен для решения технических задач в 1942г., когда Ф. Цвикки начал разрабатывать ракетные двигатели в фирме «Аэроджент инжиниринг корпорейшен». Как же осуществляется поиск новых технических решений по правилам, предложенным Цвикки? Рассмотрим ход ра­боты по морфологическому анализу на условном примере. Допустим, мы впервые приступаем к разработке конструктивной схемы лунохода. По правилам Цвикки мы должны, прежде всего, определить параметры, от ко­торых зависит решение проблемы. В нашем конкретном случае это будут основные функциональные узлы лу­нохода. Составим их список: А - двигатель; Б – движитель; В — кабина; К - система амортизации. Зачас­тую даже опытные конструкторы не сразу могут выделить и дать обобщенные определения функциональных узлов конструируемых ими устройств. После составления списка функциональных узлов указывают возможные варианты их выполнения. Результаты могут быть представлены в виде схем или списков, например, так:

Двигатели: А1 - электрический, А2 - химический, АЗ – реактивный, А4 — ядерный.

Движители: Б1 - колесный (обычные колеса), Б2 - моноколесо (кабина внутри колеса), Б3 - гусенич­ный, Б4 - шагающий, Б5 - тисковый.

Кабины: В1 - герметичная, В2 - негерметичная.

Система амортизации: К1 - специальные амортизаторы, К2 - амортизация за счет двигателя, КЗ - без амортизации.

На основе списка строится так называемый морфологический ящик. Он может быть представлен в виде специ­альной таблицы или в виде морфологической матрицы, по своему внешнему виду похожей на математическую матрицу. Например, для нашего лунохода матрица будут иметь вид: А1 А2 АЗ А4; Б1 Б2 БЗ Б4 Б5; В1 В2; К1 К2 КЗ. Эта матрица - символическая форма описания решений. Она дает представления о всех возможных конструктивных схемах лунохода. Каждый конкретный вариант конструкции - набор элементов из разных строк. Например, вариант А1 - Б1 - В2 - ... – К1, отмеченный в матрице, - луноход с электрическим двигате­лем, колесный с негерметичной кабиной и специальными амортизаторами. Общее число вариантов, содержащихся в матрице, равно произведению чисел элементов в каждой строке. В нашем случае оно равно 4*5*2*...3. Построив матрицу, производят оценку вариантов и выбирают наилучший. Чем же принципиально отличается процесс морфологического анализа от простого перебора вариантов и какие преимущества он дает? С помощью морфологической таблицы мы находим поле возможных решений, как бы вносим в это поле ре­шетку и видим «урожай» в каждой клеточке. Причем поле возможных решений нужно уметь представить не только на плоскости, но и объемно. Таким образом, морфологический анализ облегчает получение сотен и ты­сяч новых сочетаний, дает возможность окинуть их единым взором и систематически исследовать. Но легкость получения этих вариантов несет в себе и «отраву» метода. Ведь полученную массу вариантов нужно проанали­зировать, оценить, выделить лучшие. Благодаря Свифту, мы с детских лет знаем к чему может привести безу­держное комбинирование различными признаками. Вот как в «Путешествиях Гулливера» описан один из не­уемных поклонников комбинаторики: "Туг профессор подвел меня к раме, - рассказывает Гулливер, - по бокам которой стояли все его ученики. Поверхность ее состояла из множества деревянных дощечек. Все они были сцеплены между собой тонкими проволоками. Дощечки были оклеены кусочками бумаги, и на этих бумажках написаны все слова языка бальнибарби. Профессор попросил внимания. По его команде ученики взялись за железные рукоятки, вставленные по кроям рамы, и быстро повернули их. Все дощечки перевернулись, и распо­ложение слов совершенно изменилось. Тогда профессор приказал тридцати шести ученикам медленно читать образовавшиеся строки. Если случалось, что три или четыре слова составляли часть осмысленной фразы, ее диктовали остальным четырем ученикам, исполнявшим роль писцов... Ученики занимались этими упражне­ниями по шесть часов в день, и профессор показал мне множество фолиантов, исписанных подобными отры­вочными фразами. На основании этого богатейшего материала профессор рассчитывал составить полный обзор всех наук и искусств".

Итак, за удивительную легкость получения вариантов при использовании морфологического метода при­ходится расплачиваться большой трудоемкостью при выборе вариантов. Тот, кто построил хотя бы одну мор­фологическую таблицу для решения практической задачи, знает, какие противоречивые искушения при этом возникают. Хочется не упустить интересные варианты, сделать матрицу как можно более полной. И в то же время нужно добиться её максимальной компактности, иначе анализ вариантов превратится в занятие, подоб­ное упражнениям профессора из «Путешествия Гулливера». По этим причинам морфологический анализ чаще применяют не для поиска какого-нибудь одного эффективного решения, а когда требуется исследовать область возможных решений, например, если нужно рассмотреть конструкции датчиков давления для машин различ­ных классов, работающих в разных климатических зонах. Здесь можно привести такую аналогию. Менделеев, работая над упорядочением системы химических элементов, не ставил перед собой цель, непосредственно связанную с открытием новых «кирпичиков Вселенной». Но классифицировав элементы, построив их как матрицу, он смог предсказать свойства нескольких неизвестных элементов. Вскоре, как известно, они были найдены экс­периментаторами. Аналогично при построении морфологического ящика цель не должна сводиться только к поиску отдельных решений. В результате глубокого морфологического анализа можно прийти к новому взгля­ду на все поле возможных решений, а отсюда недалеко и до принципиально новых направлений усовершенст­вования конкретного технического объекта.

Ф. Цвикки не сформулировал четких правил, по которым можно было бы добиваться необходимой ком­пактности и в тоже время достаточной емкости морфологических таблиц, но на конкретных примерах он показал эффективность своего метода. В 1943г. он построил морфологическую матрицу для реактивных двигате­лей, работающих на химическом топливе. Матрица Цвикки содержала 576 возможных вариантов, в числе кото­рых были и схемы сверхсекретных тогда немецких самолетов-снарядов ФАУ-1 и ракеты ФАУ-2.

В 1961 г. было создано «Общество морфологических исследований» под председательством Цвикки. Морфологический анализ как метод поиска новых, технических идей и решений получил довольно широкое распространение. По утверждению Цвикки, более 70 крупных промышленных фирм используют его метод при решении разнообразнейших технических задач. В последние годы все большее внимание начинают уделять ему инженеры и изобретатели в нашей стране. Интенсивно занимаются разработкой морфологического анализа В.М. Капустин и К.А. Махотенко, В.М. Одрин и С.С. Картавов. Метод продолжает совершенствоваться, расширяются области его применения.

Пример применения морфологического анализа, к разработке технологии закалки сталей. Основными со­ставляющими технического процесса являются нагрев и охлаждение. Можно варьировать источники, нагрева «А», температурный интервал нагрева «Б», охлаждающие среды - «В». Рассмотрим различные альтернатив­ные варианты А, Б и В.

А1 –электроэнергия, А2 - плазма, А3 -трение, А4 - тепло от экзотермических химических реакций, А5 - световая энергия и т. д.

Б1 – Ас₁ + (30-150 °С), Б2 - Ас₃ + (30÷50 °С), БЗ-Ас₃ + (150*250С) Б4-Ас₄ + (50÷100С) и т.д.

В1 - жидкая, В2 - газообразная, ВЗ - твердая.

Эти данные записывают в таблицу, составляются наиболее интересные оригинальные сочетания. Они анализируются и наиболее эффективные отбираются для реализации, например: А5 - Б2 - ВЗ или А2 - Б4 – ВЗ.