Текст книги "Теория решения изобретательских задач"

9. Противоречия

Техническое противоречие

Люди часто предъявляют комплексные требования к технической системе. Например, ТС должна быть надежна, проста в эксплуатации, легка, потреблять мало энергии. Мы хотим, чтобы автомобиль был быстрым, безопасным и потреблял мало бензина, чтобы корабль был максимально прочным и при этом лёгким, чтобы телефон был миниатюрным и с удобной клавиатурой.

Но выполнить всю совокупность таких требований непросто. Сделали новый двигатель мощнее – это хорошо, теперь автомобиль может двигаться с большой скоростью! Но он стал потреблять больше топлива, а значит, стал менее экономичным. Изменили глушитель, ввели в него катализатор для нейтрализации газов – это хорошо, автомобиль стал более экологичным. Но при этом выросло сопротивление выхлопного тракта, а это плохо – снизилась мощность двигателя. Получается, что новые решения могут иметь и нежелательные последствия. Чтобы учесть это при решении изобретательских задач, в ТРИЗ изобретательскую ситуацию формулируют в виде технического противоречия.

Техническое противоречие (ТП) – модель описания ИС, в которой выделены желательные и нежелательные последствия конкретного изменения ТС.

• Делая корпус корабля более узким, снижаем затраты на трение и получаем высокую скорость хода. Но при этом снижается и остойчивость корабля, при волнении на море он может перевернуться. Делая корабль более широким, добьёмся хорошей остойчивости, но снизится скорость хода.

• Уменьшая размер кнопок на панели мобильного телефона, делаем его максимально компактным. Но набирать номер станет неудобно. Увеличив размер кнопок, получаем возможность удобного набора номера, но для размещения таких кнопок потребуется большой корпус.

• Используя пароли, состоящие из нескольких десятков знаков, повышаем защиту компьютерных программ от взлома. Но такой пароль трудно запомнить. Короткий пароль легко запомнить, но легко и подделать.

• Используя более вместительные автобусы, уменьшаем количество автобусов на маршрутах и затраты на заработную плату водителей, но при этом увеличиваются время посадки и выхода пассажиров и интервалы движения. Используя небольшие автобусы, интервалы движения сокращаем, но затраты на заработную плату водителей возрастают.

Техническое противоречие можно отобразить следующей схемой (рис. 10):

Рис. 10

Выявление технических противоречий

Эта работа может быть выполнена в несколько шагов.

Рис. 11. Схема ТП для окна

Рис. 12. Схема ТП для акваланга

Формулировка ИС в виде ТП имеет эвристический потенциал – она как бы отрезает пути поиска компромиссных, не идеальных решений, а также позволяет использовать инструмент «Приёмы устранения технических противоречий».

Физическое противоречие

Ещё большим эвристическим потенциалом обладает физическое противоречие.

Стандартный путь совершенствования ТС – оптимизация, то есть выбор оптимальных значений их характеристик. При этом стараются достичь простого компромисса между противоположными требованиями к ТС. Но это не всегда возможно. Когда оптимизация не позволяет достичь нужного потребительского качества, приходится решать изобретательскую задачу.

Для этого нужно точно поставить задачу – достичь максимально возможного уровня реализации противоположных свойств. Такая задача формулируется в виде так называемого физического противоречия.

Рис. 13. ФП для окна

Рис. 14. ФП для акваланга

Физическое противоречие (ФП) – это модель описания задачи, в которой противоположные требования предъявляются к одному элементу ТС.

• Корпус корабля должен быть узким, чтобы снизить затраты на трение и получить высокую скорость хода, и корпус корабля должен быть широким, чтобы обеспечить хорошую остойчивость.

• Кнопки на клавиатуре мобильного телефона должны быть компактными, чтобы можно было уменьшить его корпус, и кнопки должны быть большими, чтобы было удобно набирать номер.

• Компьютерный пароль должен быть длинным, чтобы его трудно было подобрать, и он должен быть коротким, чтобы пользователь мог легко его запомнить.

• Автобусы должны быть вместительными, чтобы уменьшить количество водителей, и автобусы должны быть небольшими, чтобы снизить интервал их движения.

Физическое противоречие предполагает объединение в рамках одного высказывания двух «должно быть», двух противоположных требований решателя.

Можно ли сказать, что в любой технической системе есть присущие ей противоречия?

– Из самого определения противоречий следует, что в природе их не существует. Противоречие лишь модель проблемной ситуации, и формулирует её сам человек.

10. Приёмы устранения противоречий

Общие принципы решения задач

Любая вещь, созданная человеком, – это результат какого-либо технического решения или изобретения. Опыт творческого труда поколений новаторов собран в десятках миллионов патентов, хранящихся в патентных библиотеках.

В основе любого технического решения лежит некий принцип. Принципов значительно меньше, чем изобретений. Есть множество историй о том, как изобретатели случайным образом находили некий принцип и переносили его на решаемую задачу. Наблюдая за открыванием дверей в трамвае, изобретатель видит в них принцип разворачивания сложенной конструкции и создаёт новое устройство для спуска спасательных шлюпок на воду. Разбирая игрушки своего ребёнка, изобретатель берёт в руки надувного клоуна, осознаёт принцип использования пневмоконструкций и вдруг понимает, как сделать уникальное приспособление для станка… Если такие принципы специально выделить из массива сделанных ранее изобретений, то они могут стать приёмами-подсказками при решении новых изобретательских задач.

Но как ограниченное количество приёмов-подсказок можно использовать для решения бесконечного количества разнообразнейших изобретательских задач? Для того чтобы приёмы стали действительно эффективными, понадобился новый подход к описанию самих изобретательских задач, к сворачиванию информации.

Приёмы устранения технических противоречий

Такой новый подход появился в рамках ТРИЗ. Изобретательские задачи в ТРИЗ стали представляться как выявленные противоречия. При этом оказалось, что огромное количество разнообразных задач можно свести к ограниченному количеству противоречий. И обобщённые принципы (приёмы-подсказки) стали подходами к устранению противоречий.

Так, поиск разрешения противоречия между прочностью конструкции и её весом дал идею местного увеличения толщины, то есть рёбер жёсткости. Гребень на шлеме воина Римской империи, шпангоуты парусных кораблей или силовой набор корпуса ракеты: все эти решения являются примерами применения одного принципа. Этот принцип звучит так: используйте неоднородное строение конструкции для достижения обеих поставленных целей – и высокой прочности, и малого веса конструкции. Такой обобщённый принцип уже может служить изобретательским приёмом для решения изобретательских задач, содержащих противоречие между прочностью и весом конструкции.

Для поиска таких принципов Г.С. Альтшуллер проанализировал огромный массив изобретений из патентного фонда. В результате были выявлены 40 приёмов, с помощью которых может быть устранено множество противоречий[13]13
  Генрих Альтшуллер считал, что прогностическая сила этих 40 приёмов будет убывать – ведь техника меняется. В книге «Творчество как точная наука» он высказал мысль, что список найденных 40 приёмов будет актуален 10–15 лет. С тех пор прошло уже больше 20 лет, и список частично устарел. В настоящее время имеется несколько других, авторских списков.


[Закрыть].

Приёмы устранения технических противоречий – это инструмент решения изобретательских задач, представляющий собой обобщённые рекомендации по устранению противоречий, основанные на систематизированном опыте изобретателей.

Особенности применения приёмов

Для примера рассмотрим приём «Принцип перехода в другое измерение». Он предлагает:

• изменить направление ориентации (направление движения) объекта, например, наклонить объект или положить его «на бок»;

• использовать многоэтажную компоновку объектов вместо одноэтажной;

• устранить трудности, связанные с размещением или движением объекта по линии, размещением (перемещением) объекта в двух измерениях (то есть на плоскости). Соответственно трудности, связанные с размещением или движением объекта в одной плоскости, устранить переходом к пространству трёх измерений.

Именно так: от контакта в точке к контакту по линии, развиваются рабочие органы технических систем. Эти изменения хорошо видны на примере эволюции средств для промышленной ловли рыбы. От крючка с наживкой (обработка в точке) к леске с укреплёнными на ней многочисленными крючками (обработка по линии). И далее – сеть (это уже обработка по плоскости) и кошельковый невод, обеспечивающий захват всей рыбы, находящейся в объёме.

Примерно так же развиваются и рабочие органы станков – от обработки в одной точке у токарного станка до современной объёмной штамповки, позволяющей добиться высочайшей производительности.

Рассмотрим пример применения этого приёма.

На аэродроме авиационного завода скопилось много изготовленных, но ещё не принятых заказчиком самолётов. В связи с приближением осенней непогоды самолёты потребовалось обязательно укрыть в ангаре, но оказалось, что он может принять только две трети всех машин. На плане ангара проверяли различные варианты их размещения, но приемлемого решения не было. И всё-таки с помощью принципа перехода в другое измерение оно было найдено. Конечно, самолёты не стали подвешивать под крышу ангара, ставить вертикально или громоздить друг на друга. У самолётов просто сдули шины на одном из шасси. Все самолёты наклонились на одно крыло, и появилась возможность расположить их так, что крылья разных машин в плане совпали. Все самолёты поместились в ангаре.

Рис. 15

Рис. 16

Применение приёма не отменяет необходимости думать. Приём не даёт самого́ решения, а задаёт некий вектор, направление такого «думания». Увидеть идею решения, представить особенности его реализации на основе предлагаемого принципа должен решатель. Поэтому работа с приёмами должна быть скрупулёзной. Надо внимательно, под самыми разными углами зрения проанализировать рекомендации, заложенные в приёмах.

Таблица выбора приёмов устранения ТП

Как выбрать нужный для решения задачи приём из всего списка приёмов? Их последовательное применение (так называемый перебор вариантов) занимает много времени. Для ускорения отбора приёмов под конкретную задачу Г.С. Альтшуллер в 60-х годах XX века разработал специальный поисковый аппарат – таблицу выбора приёмов устранения технических противоречий[14]14
  Мы рекомендуем преподавателям ТРИЗ включать список приёмов устранения технических противоречий и таблицу выбора приёмов в раздаточный материал. Соответствующие материалы можно найти на сайтах www.altshuller.ru (на русском языке) и www.triz-journal.com (на английском языке).


[Закрыть].

Таблица состоит из тождественных друг другу горизонтальной и вертикальной осей, включающих перечень из 39 ключевых характеристик технических систем. Конфликтные отношения между ними и составляют суть большинства технических противоречий, встречающихся на практике. В ячейки таблицы вписаны номера приёмов из списка.

Прежде чем выбрать приём, нужно сформулировать техническое противоречие, составляющее суть изобретательской задачи. Затем улучшаемая и ухудшающаяся характеристики, описанные в противоречии, адаптируются к характеристикам на осях таблицы. Так, если по условиям задачи требуется повысить точность работы прибора, то можно выбрать строку «точность измерений». Но можно, детально исследовав, от чего зависит точность, выбрать конкретную характеристику, которую надо улучшить в приборе, например «силу». На пересечении найденных строки (улучшаемой характеристики) и столбца (ухудшающейся при этом характеристики) находится ячейка, в которой обозначены номера приёмов.

Приёмы в каждой ячейке даны не в порядке их возрастания, а по частоте применения в исследованном массиве изобретений. Поэтому если необходимо найти как можно более простое и быстро внедряемое решение, приёмы следует использовать, начиная с первого из рекомендованных. Если же решение должно быть как можно более оригинальным, неожиданным, нужно начинать с последнего.

Подробно работа с таблицей приёмов устранения противоречий рассматривается в материалах для второго уровня аттестации.

Рис. 17. Фрагмент таблицы

Способы разрешения физических противоречий

После того как в ТРИЗ появился новый инструмент – ФП, анализ задач стал проводиться глубже. Физические противоречия наиболее чётко выражают суть стоящей перед изобретателем задачи. Естественно, что решением изобретательской задачи стало считаться разрешение ФП. Потребовались инструменты, помогающие изобретателю на этой стадии работы.

Были найдены основные способы разрешения противоречивых требований, определённых в ФП.

• В пространстве (одна часть ТС удовлетворяет одному требованию, а другая часть – другому).

ФП: объект должен быть горячим и холодным. Его можно разрешить в пространстве – одна часть (элемент) ТС горячая, а другая – холодная. Именно так разрешено противоречие в сковороде: рабочая поверхность горячая, а ручка – холодная.

• Во времени (в одно время элемент ТС удовлетворяет одному требованию, а в другое время – другому).

Стёкла очков должны пропускать много света, чтобы человек мог хорошо видеть в полутёмных помещениях, и они должны пропускать мало света, чтобы глазам было комфортно при ярком освещении. Очки «хамелеон» позволяют разрешить это противоречие во времени – они прозрачные и пропускают много света, если освещение слабое, и они тёмные, пропускают мало света, если освещение яркое.

• В отношениях (элемент должен обладать определённым свойством по отношению к одному объекту надсистемы и противоположным свойством по отношению к другому объекту надсистемы).

Москитная сетка непроницаема для насекомых, но проницаема для воздуха.

А что делать, если не удаётся разрешить противоречие? В этом случае нужно искать решение, при котором противоречие не возникает вообще.

Противоречие: корпус корабля должен быть узким, чтобы сопротивление воды было малым, и широким, чтобы иметь хорошую остойчивость. Это противоречие невозможно разрешить до конца – требования должны удовлетворяться в одно и то же время, в одном и том же месте… Но возможен переход на другой принцип работы – движение над водой. У судна на воздушной подушке этого противоречия нет.

Указанные выше общие способы устранения противоречий могут быть конкретизированы с помощью уже известных нам приёмов устранения технических противоречий. Так, принципы местного качества и перехода в другое измерение являются частными случаями общего подхода – разрешения противоречия в пространстве.

Упражнение 10

Приведите примеры, иллюстрирующие данные приёмы устранения ТП[15]15
  Приёмы формулируются в классической интерпретации, по книге Г. Альтшуллера «Творчество как точная наука». Номера приёмов совпадают с номерами, под которыми они даны Альтшуллером в полном списке 40 приёмов устранения ТП.


[Закрыть]:

1. Принцип дробления:

а) разделить объект на независимые части;

б) выполнить объект разборным;

в) увеличить степень дробления объекта.

2. Принцип вынесения:

Отделить от объекта мешающую часть (мешающее свойство) или, наоборот, выделить единственно нужную часть (нужное свойство).

В отличие от предыдущего приёма, состоящего в делении объекта на одинаковые части, здесь имеется в виду разделение объекта на разные части.

3. Принцип местного качества:

а) перейти от однородной структуры объекта (или внешней среды, внешнего воздействия) к неоднородной;

б) разные части объекта должны иметь (выполнять) различные функции;

в) каждая часть объекта должна находиться в условиях, наиболее благоприятных для её работы.

5. Принцип объединения:

а) объединить однородные или предназначенные для смежных операций объекты;

б) объединить во времени однородные или смежные операции.

10. Принцип предварительного действия:

а) заранее выполнить требуемое действие (полностью или хотя бы частично);

б) заранее расставить объекты так, чтобы они могли вступить в действие без затрат времени на доставку и с наиболее удобного места.

15. Принцип динамичности:

а) характеристики объекта (или внешней среды) должны меняться так, чтобы быть оптимальными на каждом этапе работы;

б) разделить объект на части, способные перемещаться относительно друг друга;

в) если объект в целом неподвижен, сделать его подвижным, перемещающимся.

21. Принцип проскока:

Вести процесс или отдельные его этапы (например, вредные или опасные) на большой скорости.

22. Принцип «Обратить вред в пользу»:

а) использовать вредные факторы (в частности, вредное воздействие среды) для получения положительного эффекта;

б) устранить вредный фактор за счёт сложения с другими вредными факторами;

в) усилить вредный фактор до такой степени, чтобы он перестал быть вредным.

26. Принцип копирования:

а) вместо недоступного, сложного, дорогостоящего, неудобного или хрупкого объекта использовать его упрощённые и дешёвые копии;

б) заменить объект или систему объектов их оптическими копиями (изображениями). Использовать при этом изменение масштаба (увеличить или уменьшить копии);

в) если используются видимые оптические копии, перейти к копиям инфракрасным и ультрафиолетовым.

11. Законы развития технических систем

При всем разнообразии технических систем они имеют много общего. В процессе эволюции все они проходят характерные этапы развития, подобно тому как эволюционируют биологические системы.

Альтшуллер сформулировал некоторые общие черты развития ТС и назвал их законами развития технических систем. Ниже приведён перечень этих законов[16]16
  Формулировки законов даны в интерпретации авторов пособия с целью сохранения теоретической цельности и согласованности терминологии в данном пособии.


[Закрыть] с краткими комментариями к каждому из них.

1. Закон полноты частей системы

Необходимым условием функционирования развитой ТС является минимальная работоспособность её основных функциональных блоков.

Основные функциональные блоки развитой ТС: рабочий орган, трансмиссия, двигатель и орган управления. Рабочий орган (РО) – это элемент ТС, непос редственно выполняющий главную функцию (ГФ), ради которой была создана данная ТС. Например, в водяной мельнице рабочим органом являются жернова, растирающие зерно в муку. Для выполнения главной функции РО должен получать энергию от двигателя (мельничного колеса) через трансмиссию (вал и шестерни).

Если хотя бы один из функциональных блоков будет неработоспособным, ТС не сможет выполнять ГФ.

Электрическая дрель имеет все основные функциональные блоки развитой ТС. Представим себе, что один из функциональных блоков не имеет минимально достаточной работоспособности. Например, у двигателя недостаточно мощности, чтобы вращать сверло при изготовлении отверстия. В этом случае и дрель как таковая не сможет выполнять свою главную функцию. Так же не будет выполняться ГФ, если элемент трансмиссии – зажим сверла – не удерживает сверло от прокручивания…

2. Закон энергетической проводимости системы

Необходимым условием жизнеспособности ТС является сквозной проход энергии от двигателя через трансмиссию к рабочему органу.

Смысл закона: энергия не должна теряться по пути от двигателя к рабочему органу.

Потерь энергии вообще не должно быть, но это возможно лишь в идеальной модели. Реально же энергия теряется в процессе передачи, а также при преобразовании её из одного вида в другой.

3. Закон согласования ритмики частей системы

Необходимым условием жизнеспособности ТС является согласование ритмики (частоты колебаний, периодичности) работы подсистем ТС, а также процессов, происходящих в ТС и её надсистемах.

Другими словами, эффективное выполнение главной функции возможно, если периодичность работы подсистем ТС согласована.

В механических часах скорости вращения всех шестерёнок внутри механизма различны, но они согласованы так, чтобы за один оборот минутной стрелки часовая повернулась ровно на 1/12 от полного круга, то есть на 30°.

Порошковое молоко растворяется в воде во много раз быстрее, если на взвесь (смесь порошка и воды) воздействовать ультразвуком с часто той, величина которой приближена к частоте собственных колебаний крупинок порошка.

Ещё одна возможность согласования: выполнение одного вида действий в паузах другого действия.

В начале ХХ века изобрели устройство для стрельбы из авиационного пулемёта «сквозь» плоскость пропеллера: пули пролетали сквозь пропеллер в те моменты, когда вращающиеся лопасти не закрывали дуло.

В некоторых случаях этот закон выражается в сознательном рассогласовании ритмов.

В сейсмоопасных зонах при строительстве зданий и сооружений специально задают их собственные частоты колебаний так, чтобы они как можно сильнее отличались от возможных частот сил тектонических колебаний, воздействующих извне.

4. Закон увеличения идеальности технических систем

Развитие ТС идёт в направлении увеличения идеальности.

Увеличение идеальности – это улучшение выполнения функций технической системой или добавление ей новых функций при уменьшении затрат на создание и эксплуатацию ТС.

В науке применяется такой инструмент моделирования, как идеализация. Выявив некоторое важное свойство, тенденцию, предполагают, что она достигает своего предела. При этом в модели могут быть отброшены остальные свойства, характеристики объекта или процесса, не столь важные для конкретного рассмотрения. Процедура идеализации даёт возможность сформировать логический предел развития реального объекта – идеальный объект. Широко известный пример – понятие идеального газа.

Альтшуллер ввёл в ТРИЗ понятие идеальной ТС. Идеальная система – это система с нулевыми затратами на её создание и на выполнение функции. Такая система имеет эффективность, равную бесконечности. Конечно, стремление к такому результату – достойная цель для разработчиков и изобретателей.

Как же реализуется тенденция увеличения идеальности на практике? Наиболее ярким наглядным примером повышения идеальности ТС является развитие компьютерной техники.

Всего за несколько десятков лет компьютеры прошли путь от огромных сооружений со сроком бесперебойной работы несколько часов до микроминиатюрных конструкций, не требующих обслуживания в течение всего срока функционирования. При этом невообразимо выросли скорость счёта, память, скорость обмена информацией. Особенно впечатляет прогресс, если рассмотреть, сколько атомов необходимо организовать для хранения одного бита информации. Если в 50-х годах их требовалось тысячи миллиардов, то в 70-х – уже десятки миллионов, а сейчас – десятки тысяч. Современные эксперименты доказывают возможность перехода к квантовым компьютерам, в которых всего один атом будет хранить один бит информации и даже более.

Увеличение идеальности на примере тенденции к миниатюризации электронных приборов очевидно и понятно. А как идёт развитие, например, транспортных систем? Они не уменьшаются, скорее, наоборот – транспортные машины всё более увеличиваются в размерах. Современные «Боинги» и нефтеналивные танкеры выглядят значительно более грандиозно, чем их предшественники. Не противоречат ли эти факты закону увеличения идеальности?

Абсолютно идеальное транспортное средство – когда средства нет, а функция выполняется (например, груз сам движется в нужном направлении с необходимой скоростью). Стремление к этому идеалу проявляется в том, что повышается доля веса груза в полном весе транспортного средства. За последние 40 лет удельная мощность автомобилей для перевозки стандартных контейнеров выросла вдвое, средняя скорость – почти в 2 раза, расход топлива на сотню километров снизился в 1,5 раза, то есть реализуется та же тенденция – более экономная реализация требуемой функции.