Морфологический анализ систем

МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ

Методические указания

для студентов всех форм обучения

и для магистров (направления подготовки 553900 и др.)

по дисциплинам "Основы инженерного творчества",

"История, философия и методология техники"

Составитель

Федеральное агентство по образованию

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИИ И ДИЗАЙНА"

Кафедра технологии прядения и нетканых материалов

МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ

Методические указания

для студентов всех форм обучения

и для магистров (направления подготовки 553900 и др.)

по дисциплинам "Основы инженерного творчества",

"Методология техники"

Составитель

Санкт-Петербург

2006

Утверждено

на заседании кафедры

30 января 2006 г.,

протокол

Рецензент

Подписано в печать Формат 60х84 1/16.

Печать трафаретная. Усл. печ. л.0,4. Тираж 100 экз.

Заказ

Отпечатано в типографии СПГУТД

Санкт-Петербург, ул. Моховая, 26

Метод морфологического анализа (МА) является одним из примеров реализации системного подхода в творческом процессе. Метод эффективен при решении конструкторских и технологических задач общего характера: проектирование новых машин и технологического оборудования; поиск новых вариантов технологических процессов; поиск новых применений существующего объекта (изделия); прогнозирование развития технических систем и технологий, разработка нового ассортимента изделий.

Суть метода состоит в построении таблиц, которые должны охватить все мыслимые варианты. В простейшем случае морфологический метод предусматривает построение двухмерной морфологической таблицы: выбирают две важнейшие характеристики технологической системы, составляют по каждой из них список всевозможных видов и форм, а затем строят таблицу, осями которой являются эти списки. Клетки такой таблицы соответствуют вариантам разрабатываемой технической системы. Возьмем, например, задачу: требуется предложить новую упаковку для изделий. Если на одной оси записать, скажем, 20 видов материалов (металл, дерево, картон и т. д.), а на другой – 20 видов форм (сплошная жесткая упаковка, сплошная гибкая упаковка, рейчатая упаковка, сетчатая и т. д.), получится таблица, включающая 400 сочетаний, каждое из которых соответствует одному варианту. Можно ввести другие оси, неограниченно наращивая число полученных вариантов.

Прообразом морфологического метода можно считать "Арс магна" ("Великое Искусство") средневекового испанского логика Раймунда Луллия (ХIII в.).

Основная идея "Великого Искусства" состоит в том, что структура любого знания определяется небольшим числом изначальных понятий. Комбинируя эти понятия, можно вывести все знания о мире.

Луллий строил приборы в виде концентрических окружностей. На каждой были записаны основные понятия. Перемещая окружности относительно друг друга, можно было получать различные высказывания и суждения. Сохранились рисунки этих приборов ("фигур"). В центре находился круг, посвященный богу и обозначенный буквой А. Вокруг – две концентрические окружности, разделенные на 16 частей каждая. Части обозначены буквами В, С, Д, Е и т. д., причем В – доброта, С – величие, Д – вечность, Е – мудрость… Вращая внутренний круг относительно наружного, можно получить 256 сочетаний, каждое из которых дает определенные сведения о боге. Например, сочетание АВС – "божественная доброта велика", АЕД – "божественная мудрость бесконечна" и т. д. Наиболее крупный прибор имел 14 окружностей. Диковинная машина как бы воплощала в себе некий всеобъемлющий ум, способный выразить в формализованных суждениях все, что можно знать обо всем на свете; она давала свыше 70 квадриллионов сочетаний…

3

В современной форме морфологический метод воссоздан швейцарским астрофизиком Ф. Цвикки: в 30-е годы Цвикки интуитивно применил морфологический подход к решению астрофизических проблем и предсказал существование нейтронных звезд. В годы Второй мировой войны, когда Цвики привлекли к американским ракетным разработкам, морфологический анализ – уже вполне сознательно – был использован для решения технических задач.

Этот метод очень удобен для решения задачи по расширению ассортимента изделий. Для примера построим морфологическую табл. 1 на изделие “Нож для резания пищевых продуктов”.

Если из каждой строки этой таблицы взять по одному варианту, то получим некоторую конструкцию ножа. Например, 1.1; 2.3; 3.3; 4.2; 5.1; что дает такую конструкцию ножа: лезвие из металла, рукоятка пластмассовая, форма лезвия – треугольная, лезвие в чехле, дополнительная функция ножа – распиливание твердого тела.

Таблица 1 – Морфологическая таблица

Признаки	Альтернативные варианты
1	2	3	4	5
1. Материал лезвия	Металл	Камень	Кость	Пластмассы	Луч электронов
2. Материал рукоятки	Дерево	Кость	Пластмассы	Металл	Металл и кожа
3. Форма лезвия	Удлиненный прямоугольник	Кривая вытянутая	Треугольная	Круглая
4. Безопасность хранения	Открытое лезвие	Лезвие в чехле	Лезвие в рукоятке
5. Выполняемые дополнительные функции	Распиливает твердое тело	Открывает металлические пробки бутылок	Выворачивает шурупы	Отворачивает гайки М12	Открывает замок

Число возможных конструкций ножа в табл. 1 составляет

.

После этого необходимо рассмотреть полученные варианты решения, определить их практическую ценность и выбрать из них наиболее эффективные.

Достоинство метода МА заключается в том, что, систематизированно перебирая возможные сочетания альтернативных вариантов выделенных признаков, можно выявить новые варианты решения задачи, которые при

4

обычном переборе могли бы быть упущены.

Морфологический анализ создает основу для системного мышления в категориях основных структурных признаков, принципов действия и параметров объекта, что и обеспечивает высокую эффективность его применения. Он является упорядоченным способом исследования, позволяющим добиться систематизированного обзора всех возможных решений данной задачи. Метод строит мышление таким образом, что генерируется новая информация, касающаяся тех комбинаций, которые при бессистемной деятельности воображения ускользают от внимания. Хотя морфологическому образу мышления внутренне присуще убеждение, что все решения могут быть реализованы, при этом, естественно, многие из них оказываются сравнительно тривиальными.

Таким образом, морфологический метод способен дать очень много комбинационных идей, однако он не способен выделить из множества "пустых" идей единственную, необходимую и достаточную для решения задачи (в этом недостаток данного метода). Морфологический анализ отнюдь не ломает старую, привычную технологию творчества, основанную на переборе вариантов. Он просто интенсифицировал обычный метод проб и ошибок.

Рассмотрим теперь применение метода МА для решения задачи по прогнозированию развития технологии раскроя текстильных материалов в швейной промышленности [1].

Прежде всего выделим признаки, характеризующие процесс раскроя текстильных материалов с помощью специального устройства. При определении признаков необходимо вводить также перспективные и фантастические варианты, что намного расширяет возможности метода, повышает его эвристическую ценность и способствует увеличению числа принципиально новых, оригинальных решений. Для решения приведенной задачи выделим следующие четыре морфологических признака: Р1 – вид режущего элемента; Р2 – тип привода режущего элемента; Р3 – способ управления раскроем; Р4 – количество одновременно раскраиваемых полотен, по каждому из которых в морфологической матрице укажем конкретные варианты (табл. 2).

Анализируя данные этой матрицы, можно теоретически предложить вариантов способов и устройств, реализующих раскрой материалов. Среди них, например, следующие:

– электрические ножницы, у которых один нож (неподвижный) прямой, второй дисковый, совершающий вращательное движение, приводится в действие от электродвигателя, установленного в рукоятке. Данный вариант раскройного устройства является

5

переходным от обычных ножниц к передвижным раскройным машинам.

Таблица 2 – Морфологическая таблица способов раскроя текстильных материалов

Номер варианта	Морфологические признаки процесса раскроя
Р1 – вид режущего элемента	Р2 – тип привода режущего элемента	Р3 – способ управления раскроем	Р4 – количество одновременно раскраиваемых полотен
1	Р11 – прямой нож	Р12 – ручной	Р13 – ручной	Р14 – одно полотно
2	Р21 – дисковый нож	Р22 –электрический	Р23 – автоматический по жесткой программе	Р24 – несколько полотен
3	Р31 – ленточный нож	Р32 –гидравлический	Р33 – с помощью ЭВМ (гибкое управление)	–
4	Р41 – резак	Р42 –механический	–	–
5	Р51 – лазер	Р52 –пневматический	–	–
6	Р61 – плазма	–	–	–
7	Р71 – струя воды	–	–	–
8	Р81 – электрическая искра	–	–	–

РII={Р11, Р22, Р13, Р24} – раскройные машины (типа CS-530, ЭЗМ-1) с прямым ножом, с электродвигателем для рассекания настилов на части, управляемые вручную раскройщиком.

РIII={Р21, Р22, Р13, Р24} – раскройные машины (типа ЭЗДМ) с дисковым ножом, с электродвигателем для рассекания настилов на части, управляемые вручную раскройщиком.

РIV={Р41, Р42, Р23, Р24} – вырубочные прессы, на которых вырубание осуществляется с помощью специальных резаков.

РV={Р51, Р22, Р33, (Р14 или Р24)} – оборудование для лазерного раскроя, состоящее из лазера, позиционного устройства, компьютера, который с помощью программы раскройных операций управляет процессом выкраивания деталей.

РVI={Р71, Р32, Р33, (Р14 или Р24)} – оборудование, раскройным элементом которого является струя воды. Циркуляция воды осуществляется под давлением 400–600 мПа, расход воды до – 40 л/ч. Управление процессом раскроя может осуществляться с помощью ЭВМ.

6

МА 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 систематизированный перебор. Например, для частного решения Р1 (электрические ножницы) выделим следующие морфологические признаки: высота настила, мм; диаметр дискового ножа, мм; форма дискового ножа. Анализ этих признаков позволяет создать различные варианты технического решения электрических ножниц.

Рассмотренный пример показывает, что метод МА дает возможность систематизированно проанализировать имеющиеся раскройные устройства и предложить новые перспективные способы раскроя. Метод позволяет активизировать способность инженера генерировать большое число различных вариантов решения задачи. В отличие от простого перебора вариантов метод МА облегчает получение сотен и тысяч новых сочетаний, дает возможность окинуть их единым взором и систематически анализировать.

Библиографический список

1. Скирута, творчество в легкой промышленности / , . – М.: Легпромбытиздат, 1990. – 184 с.

7