ПЕРЕХОД ОТ АДМИНИСТРАТИВНОГО ПРОТИВОРЕЧИЯ К ТЕХНИЧЕСКОМУ
ПРИ АНАЛИЗЕ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ПРОБЛЕМ
А.М. Пиняев
Научно-исследовательская лаборатория изобретающих машин

Рассматривается алгоритм функционального анализа изобрета-
тельских ситуаций, предназначенный для замены шага 1.1 АРИЗ.
В теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) определены
три типа противоречий: административные, технические, физические.
При этом под административным противоречием понимается явное ука-
зание на один или несколько нежелательных эффектов, устранить ко-
торые известными способами не представляется возможным. Анализ
изобретательской проблемы в рамках этих представлений является
предметом алгоритма решения изобретательских задач (АРИЗ) [1].
Однако нетрудно установить, что переход от технического противо-
речия к физическому совершается с помощью трех частей алгоритма
(части 1 - 3, 13 шагов), в то время, как переход от администра-
тивного противоречия к техническому совершается всего за один шаг
(шаг 1.1).
Практика применения АРИЗ показывает, что среди шагов этого
алгоритма есть несколько таких, выполнение которых вызывает наи-
большие трудности. И едва ли не самым трудным среди них является
шаг 1.1. Зачастую выполнение шага 1.1 при обучении занимает
столько же времени, сколько и весь остальной анализ. И это - для
учебных задач, что же говорить о задачах практических? В то же
время значение шага 1.1 трудно переоценить - неверно поставленная
задача, ложно сформулированное техническое противоречие (ТП) зат-
рудняют или делают невозможным получение сильного ответа.
В предлагаемой работе предложен алгоритм анализа изобрета-
тельской ситуации (ИС), целью которого является выявление и фор-
мулирование изобретательской задачи (ИЗ). Итогом работы по алго-
ритму являются формулировки технических противоречий и цели,
которой необходимо достичь в результате решения задачи. Таким об-
разом, предложенный алгоритм выполняет все функции шага 1.1 АРИЗ
и может быть рекомендован для его замены. Методика анализа осно-
вывается на идеях функционального анализа изобретательских ситуа-
Алгоритм ФАИС: структурная схема
----------¬
¦список НЭ¦
L----T-----
г=======¦=========¬
¦построение ПСЦ НЭ¦
L=======T=========-
--------+---------¬
¦определение КНЭ ¦<-----------¬
L-------T---------- ¦
---------+---------¬ ¦
Ф ¦функциональный/ ¦ З ¦
------+затратный КНЭ +---¬ ¦
¦ L------------------- ¦ ¦
¦ ¦ ¦
-----+----¬ПФНЭг===========¬ ---+-¬ ¦
¦ВФНЭ/ПФНЭ+--->¦анализ ПФНЭ¦<--+ПФНЭ¦ ¦
L----T----- L=====T=====- L----- ¦
ВФНЭ ¦ -------+----------¬ ¦
г=====¦=====¬ ¦ какие объекты ¦ ¦
¦анализ ВФНЭ¦=>¦ можно изменять ¦ ¦
L===========- L-------T---------- ¦
--------+---------¬ ¦
¦ замена в КЗ ¦ ¦
¦ спецтерминов ¦ ¦
L-------T---------- ¦
--------+---------¬ ¦
¦формулирование ТП¦ ¦
L-------T---------- ¦
------------+-------------¬ ¦
---->¦ РЕШЕНИЕ +-------
¦ L-----------T--------------
¦ --------+---------¬
L--------+изменение задачи ¦
L------------------
Рис.1
ций (ФАИС) [2-3]. Алгоритм ФАИС приведен в Приложении 1, а приме-
ры его практического применения - в Приложении 2.
Структурная схема предлагаемого алгоритма представлена на
рис.1.
В известных работах по анализу изобретательской ситуации
[1-6] можно выделить две возможности выбора отправной точки ана-
лиза: от главной полезной функции технической системы (ТС) и от
нежелательного эффекта. Очевидным недостатком первого варианта
(более раннего) является неопределенность относительно того,
главную функцию какой именно ТС из иерархии систем необходимо оп-
ределять. Поэтому в настоящей работе предпочтение отдано второму
варианту, начало которому положено работой [2].
Анализ ИС (см. рис.1) начинается с составления списка неже-
лательных эффектов (НЭ), после чего необходимо выбрать из них
ключевой. Для этого предназначен микро-алгоритм построения при-
чинно-следственной цепочки (ПСЦ) нежелательных эффектов (см. При-
ложение 1, шаги 2-3). Следует иметь в виду, что ключевых НЭ может
быть несколько, что свидетельствует о том, что в ИС содержится
несколько ключевых ИЗ, каждая из которых должна быть сформулиро-
вана и решена.
Отметим, что идея построения ПСЦ для выбора задачи достаточ-
но давно известна в ТРИЗ (см., например, [4]). Особенностью дан-
ной работы является способ построения ПСЦ, а именно - сравнение
двух взаимно противоположных утверждений и выбор из них правиль-
ного (шаг 2). Такой способ позволяет дать надежные критерии при-
чинно-следственной связи и тем самым формализовать построение
ПСЦ.
Как показано в [2], все НЭ можно разделить на два типа:
"функциональные" (заключающиеся во вредном или неэффективном
функционировании) и "затратные" (недопустимо большие затраты на
выполнение полезных функций - сложность, стоимость, габариты,
энергопотребление и т.п.). Аналогично, "функциональные" НЭ делят-
ся на два больших класса: вредно-функциональные (ВФНЭ) и полезно-
функциональные (ПФНЭ). ВФНЭ заключаются в выполнении вредных
функций (ВФ), то есть действий по ухудшению параметров материаль-
ных объектов. ПФНЭ заключаются в недостаточно эффективном выпол-
нении полезных функций (ПФ). В соответствии с этими представлени-
ями производится классификация ключевого НЭ (шаги 4-6), причем
"затратные" НЭ приводятся к функциональному виду. Таким образом,
результатом первых шести шагов алгоритма является ключевой НЭ,
отнесенный к одному из классов - ВФНЭ или ПФНЭ. Такая классифика-
ция необходима потому, что различия в причинах возникновения НЭ
каждого из указанных классов настолько велики, что требуют раз-
личных методик для их анализа.
Анализ ВФНЭ (шаг 7 Алгоритма) основан на анализе функций и
свойств элемента, выполняющего вредную функцию. Целью при этом
является выявление пары сопряженных функций, т.е. таких функций,
которые связаны общим свойством инструмента или общими объектами.
Всего в этом случае определено три возможных типа пары сопряжен-
ных функций. Эти типы соответствуют минимальному набору моделей
изобретательских задач в случае анализа ВФНЭ:
а) полная пара сопряженных функций: инструмент выполняет и
ПФ, и ВФ. Функции в паре связаны общим свойством инстру-
мента.
ПРИМЕР (Испытание кубических образцов). Даны агрессивная жид-
кость, кубики и стенка сосуда. Агрессивная жидкость разъедает по-
верхность кубиков, что необходимо для их испытания, но разъедает
и стенку сосуда, что недопустимо. Необходимо разъедать поверх-
ность кубиков, не разъедая стенку сосуда.
(Решение: стенки сосуда изготавливают из испытываемых образцов)
Общим свойством инструмента здесь является "агрессивность"
жидкости. В приведенном примере объекты ПФ и ВФ различны. В дру-
гих случаях они могут совпадать [3].
б) полная пара сопряженных функций: выполняется и ВФ, и ПФ,
но объект полезной функции является субъектом вредной
функции, и наоборот. Поэтому функции в паре связаны объ-
ектами.
ПРИМЕР (Транспортировка стальных шариков). Даны изгиб трубопрово-
да и стальные шарики. Изгиб трубопровода направляет стальные ша-
рики, но шарики разрушают изгиб. Необходимо направлять шарики, не
разрушая трубопровод.
(Решение: в местах изгибов делают накопители шариков, и запас не-
подвижных шариков предотвращает разрушение изгиба).
Видно, что объект полезной функции (стальные шарики) выпол-
няет вредную функцию, т.е. является ее субъектом, и наоборот, что
и делает функции сопряженными.
в) вырожденная пара сопряженных функций: ПФ отсутствует, ин-
струмент выполняет только ВФ.
ПРИМЕР. (Разрушение подводного крыла). Даны кавитационные пузырь-
ки и поверхность подводного крыла. Кавитационные пузырьки разру-
шают поверхность подводного крыла, что недопустимо. Необходимо
устранить способность пузырьков разрушать поверхность крыла.
(Решение: на поверхности подводного крыла намораживают тонкий
слой льда).
Очевидно, что кавитационные пузырьки не выполняют никаких
полезных функций в рассматриваемой ТС, и поэтому сопряженная пара
функций является вырожденной.
Логика анализа ВФНЭ может быть представлена следующей после-
довательностью (см. шаг 7 Алгоритма):
ВФНЭ-->ВФ-->Э-->ВС-->набор ПФ-->анти-ВС-->сопряженная ПФ,
где Э - элемент, выполняющий ВФ;
ВС - "вредное свойство" Э;
анти-ВС - свойство, противоположное ВС.
Кроме того, подшаги 7.6-7.8 предназначены для выявления мо-
делей задач типа б) и в) (см. выше). Шаги 7.11 и 7.12 введены для
определения ПФ надсистемы, что понадобится для выбора схемы конф-
ликта на шаге 1.4 АРИЗ и переформулирования задачи.
Таким образом, логика анализа ВФНЭ исходит из предположения
о том, что причиной этого типа НЭ является наличие у одного из
элементов ТС "вредного свойства", приводящего к выполнению им ВФ.
В задаче об испытании кубических образцов (см.выше) вредным
свойством является "агрессивность" жидкости, в задаче о транспор-
тировке стальных шариков - их твердость и скорость, в задаче о
разрушении подводного крыла - способность пузырьков создавать
гидродинамический удар. При этом следует обратить внимание на от-
носительный характер понятия "вредное свойство": свойство, вред-
ное в одном отношении, может одновременно быть полезным в другом,
как в задаче об испытании кубических образцов. Мы будем понимать
под ВС свойство элемента, необходимое для выполнения им ВФ, неза-
висимо от того, необходимо ли оно для выполнения каких-либо ПФ,
или нет.
Причина возникновения ПФНЭ существенно иная. Поскольку ВФ в
этом случае не выполняется, то нельзя говорить о наличии ка-
ких-либо ВС. Действительной причиной ПФНЭ является невозможность
выполнения требуемого действия известным способом. Под способом
здесь понимается любая функция, необходимая для выполнения требу-
емого действия в существующей ТС.
ПРИМЕР (Измерение высоты пещеры). Необходимо измерить высоту пе-
щеры, которая настолько велика, что свет фонаря не позволяет уви-
деть ее потолок.
Возможный способ измерения высоты пещеры - влезть наверх по
стене и спустить сверху измерительный шнур. "Влезть наверх" -
значит "поднять человека со шнуром". Эта функция, с одной сторо-
ны, необходима для измерения высоты пещеры указанным способом, а,
с другой стороны, невозможность ее эффективного выполнения оче-
видна. Противоречие в подобных случаях возникает, если предъявить
к системе требование выполнения функции - следствия без выполне-
ния функции - причины, т.е. для данного случая - измерить высоту
пещеры, не поднимая человека со шнуром.
Аналогичный подход позволил П.Н.Яблочкову изящно решить за-
дачу об обгорании электродов дуговой лампы: следовало только пос-
тавить задачу по выполнению функции-следствия (поддерживать горе-
ние дуги) без выполнения функции-причины (сближать электроды).
Проведенные мной в последнее время исследования показали
возможность существенного продвижения к решению с помощью уточне-
ния формулировки задачи путем достройки причинно-следственной це-
почки функций промежуточной полезной функцией. Тогда противоречие
строится путем предъявления к системе требований выполнения про-
межуточной функции без выполнения функции-причины. В задаче об
измерении высоты пещеры (знак --> используется вместо слов "необ-
ходимо для того, чтобы", и обозначает причинно-следственную
связь):
поднимать человека со шнуром --> поднимать шнур --> измерять
высоту пещеры.
В задаче Яблочкова:
сближать электроды --> поддерживать постоянное расстояние
между электродами --> поддерживать горение дуги.
В первом случае промежуточная функция - "поднимать шнур", во
втором - "поддерживать постоянное расстояние между электродами".
Задачи, соответственно, формулируются следующим обрвзом: "подни-
мать шнур, не поднимая человека со шнуром" и "поддерживать посто-
янное расстояние между электродами, не сближая их", что сущест-
венно облегчает переход к решениям - поднимать шнур воздушным ша-
ром, расположить электроды параллельно.
В соответствии с этими представлениями построена логика ана-
лиза ПФНЭ (шаг 8 Алгоритма), которую можно представить следующей
последовательностью:
Ф-у --> СУ Ф-у --> Э Ф-у --> Ф-н --> ППФ, где
Ф-у - функция, которую по условиям задачи необходимо выпол-
нить или улучшить,
СУ Ф-у - известный способ, которым можно выполнить или улуч-
шить Ф-у,
Э Ф-у - элемент ТС, выполняющий или улучшающий выполнение
Ф-у в рамках СУ Ф-у,
Ф-н - функция, выполнение которой необходимо в рамках СУ
Ф-у,
ППФ - промежуточная полезная функция.
Нетрудно заметить, что такая логика анализа также позволяет
получить сопряженную пару функций, в которой роль полезной функ-
ции играет ППФ, а роль вредной - Ф-н. Однако теперь "сопряжен-
ность" функций определяется не свойством инструмента и не объек-
тами функций, а причинно-следственной связью. Строго говоря, и в
случае анализа ВФНЭ ставится задача по разрушению причинно-следс-
твенной связи (в исходной ТС существует такая связь между ПФ и
ВФ). Таким образом, подход с точки зрения ФАИС позволяет устано-
вить глубинную связь между двумя различными типами ИЗ при всем
различии в механизмах их возникновения и методиках анализа.
Обратим внимание на шаги 8.8 - 8.10, позволяющие находить
ППФ. Обозначим литерой Э тот элемент ТС, который выполняет или
улучшает выполнение Ф-у.
1 2 3 4