Задача 15 Задача 16

© Альтшуллер Г.С., Журнал "Техника и наука", 1979, №5
КАК РЕШАТЬ ЗАДАЧИ

СИТУАЦИЯ, ЗАДАЧА, МОДЕЛЬ ЗАДАЧИ...

Итак, технические системы развиваются по определенным законам. Эти законы можно познать и использовать для решения изобретательских задач "по формулам", т. е. на основе научной теории, а не бессистемным перебором вариантов. С некоторыми "формулами" мы познакомились, рассматривая принципы одного из разделов теории - вепольного анализа. Задача содержит техническое противоречие (а в глубине его спрятано противоречие физическое), поэтому суть "формул" в том, что они дают правила преодоления противоречий.

Казалось бы, достаточно иметь набор таких правил - и можно решать задачи. Но дело обстоит сложнее. Правила говорят: "Надо делать так", а здравый смысл (т.е. психологическая инерция) нашептывает: "Глупости, так делать нельзя..." Скажем, есть ванна, заполненная расплавленным металлом, нужно подольше сохранить металл в жидком состоянии. И вот правила подсказывают: "Расплав не должен застыть? Прекрасно! Бросим туда лед..." Для здравого смысла такая идея просто неприемлема. В единоборстве постороннего правила и собственного здравого смысла победа обычно остается за здравым смыслом: дикая идея отвергается...

Ни отдельные правила, ни набор правил еще не гарантируют успешного решения задачи. Необходимо объединить правила в жесткую систему и снабдить эту систему "правилами против нарушения правил". Нужна программа, заставляющая последовательно применять правила и делать это без отклонений и ошибок.

Такая программа, разработанная в нашей стране, получила название алгоритма решения изобретательских задач (АРИЗ). Первые модификации АРИЗ появились еще в 40-х годах; с тех пор АРИЗ систематически совершенствовался, и нынешний АРИЗ-77 работает вполне надежно.

АРИЗ делит процесс решения задачи на семь этапов (частей). Каждый этап осуществляется постепенно - по шагам. "Лестница" АРИЗ имеет и "перила" - правила выполнения шагов. Если нарушено то или иное правило, через 2-3 шага ошибка становится явной: формулировки "не стыкуются". АРИЗ снабжен обширным фондом сжатой, спрессованной информации, полученной путем анализа десятков тысяч патентных описаний.

У нас нет возможности привести здесь полный текст АРИЗ-77, мы рассмотрим только один его фрагмент. Но сначала несколько предварительных пояснений. Известно, что правильно поставить задачу - значит наполовину ее решить. Обычно же приходится иметь дело с задачей "сырой", нечетко или вовсе неверно сформулированной. Поэтому, в сущности, процесс нахождения решения в значительной мере состоит в том, чтобы переосмыслить и изменить ее условия, ясно представить себе конечную цель. "Сырая" задача (ее называют ситуацией) содержит лишь указание на ту или иную техническую систему (или часть системы) и присущий этой системе недостаток. Одна и та же ситуация может быть превращена в множество различных задач. Возьмем, например, такую ситуацию: "Парусные суда передвигаются с малой скоростью. Как быть?" Эту ситуацию можно перевести в ряд задач: как улучшить парусное оснащение, как уменьшить сопротивление воды, как вообще обойтись без парусов и т. д. При работе методом проб и ошибок мысль стихийно перескакивает от одной задачи к другой. А бывает и хуже: выбрав одну задачу, человек упорно перебирает вариант за вариантом, не замечая, что взята не та задача. В АРИЗ есть надежные правила перехода от ситуации к задаче. В частности, каждая ситуация сначала должна быть переведена в мини-задачу по принципу: все остается без изменений, но исчезает тот отрицательный фактор, который указан в ситуации (или появляется требуемый положительный фактор). Если даже ситуация относится к безнадежно устаревшей технической системе, все равно сначала целесообразно рассмотреть мини-задачу. На замену технической системы неизбежно уйдут многие годы, поэтому полезно иметь пусть частичное, временное, но легко внедряемое решение. А решение мини-задачи всегда легко внедрить: это предопределено самой сутью мини-задачи (ничего нельзя менять).

В условиях задачи (даже мини-задачи) обычно указывается техническая система, к которой относится задача: в поле зрения попадают лишние элементы системы, а иногда, наоборот, не хватает нужных элементов. Поэтому от задачи надо перейти к ее модели - выделить пару элементов, конфликт между которыми порождает задачу. Затем следует определить тот элемент пары, который должен быть изменен, и ту зону элемента, в которой "прячется" физическое противоречие. Все операции должны быть проделаны по определенным правилам.

Очень важный шаг на этом пути - определение ИКР (идеального конечного результата), т. е. идеального решения. Любая задача в принципе имеет множество ответов. Но наилучший ответ всегда один: это такой ответ, в котором требуемый результат достигается сам собой, "без ничего", без перестройки системы, без затраты материалов, энергии, средств, словно по мановению волшебной палочки. Разумеется, реально достичь такого идеала невозможно. ИКР служит маяком, позволяющим ориентироваться на самое лучшее из решений. Реальное решение должно быть максимально близким к идеалу, а чтобы этого добиться, нужно стремиться к ИКР.

Посмотрите теперь фрагмент АРИЗ-77, он дан в приложении. Многое будет вам понятно. Остальное мы поясним на учебной задаче.

СТАЛЬНЫЕ ЖЕРНОВА АНАЛИЗА

Вот эта задача:

Задача 15. Шлак, образующийся в домнах, сливают в большие ковши, установленные на железнодорожных платформах, и отвозят на шлакоперерабатывающую установку. Первоначальная температура шлака - около 1 000 С, но в пути шлак охлаждается, на его поверхности образуется твердая корка. Чтобы слить жидкий шлак, приходится с помощью специального копрового устройства пробивать отверстия в этой корке. По ряду причин (ковш имеет форму конуса, в разных ковшах разный уровень шлака, толщина корки тоже разная) отверстия пробивают не у самой стенки ковша, поэтому жидкий шлак сливается неполностью. Потери шлака (из-за образования твердой корки и неполного слива) очень велики - примерно 1/3 всего количества. Приходится отвозить ковши на специальную эстакаду, где выбивают корку и застывший шлак, сливают остатки жидкого шлака. Все это связано с потерями сырья (жидкого шлака), большими затратами труда на очистку ковшей, возникновением отвалов шлака и т. д...

Основные теплопотери - с поверхности расплава. Но от применения теплоизолирующих крышек пришлось отказаться: чтобы установить и снять крышку, требуются крановые устройства, это усложняет оборудование, снижает темпы работы. Как быть?

Перед нами типичная "сырая" задача - ситуация, которую можно перевести в различные конкретные задачи. Скажем, так: "Нужно найти способ выплавки чугуна без образования шлака". Или: "Придумайте бесковшовый способ транспортировки шлака". Или: "Усовершенствуйте копровое устройство так, чтобы можно было пробивать шлаковую корку у самых стенок ковша..." Но мы теперь знаем, как надо действовать: переведем задачу в мини-форму. Ничего не меняется - ни оборудование доменного цеха, ни средства для перевозки шлака, - а шлак прибывает на перерабатывающую установку в жидком виде, без потерь. Будем считать это записью шага 2.1 и начнем построение модели (си фрагмент АРИЗ-77).

2.2. Конфликтующая пара: шлак - воздух.

(Изделие - шлак. "Инструмент", непосредственно взаимодействующий со шлаком, - столб холодного воздуха над ковшом. Конфликт в том, что горячий шлак "хочет" нагреть воздух, а холодный воздух "хочет" охладить шлак. Модель задачи условна: в пространстве висит расплавленный шлак, а над ним находится холодный воздух. Все остальные элементы системы сразу отброшены, тем самым без перебора отброшены многие пустые варианты).

2.3. а. Воздух легко пропускает шлак (при наполнении и опорожнении ковша);

б. Воздух охлаждает шлак.

2.4. Даны жидкий шлак и воздух над шлаком. Воздух свободно пропускает шлак (это хорошо) и не задерживает тепло (это плохо).

3.1. Шлак - изделие. Воздух - природный элемент. По правилу 7 выбираем внешнюю среду.

Итак, необходимо ввести третий элемент.

3.2. ИКР: внешняя среда сама устраняет охлаждение шлака, сохраняя способность свободно пропускать жидкий шлак.

3.3. Зона, которая не справляется с комплексом указанных в ИКР двух требований, - от поверхности шлака до краев ковша (или чуть выше, но так, чтобы не выйти за пределы железнодорожных габаритов), т. е. то место, которое должна была бы занимать теплоизолирующая крышка. В этой зоне - воздух. А должна находиться внешняя среда - какое-то иное вещество.

3.4. а. Для защиты шлака от охлаждения в этой зоне должно быть вещество-теплоизолятор (даже вакуумная изоляция требует наличия вещества для удержания вакуума).

б. Для свободного прохождения шлака в этой зоне не должно быть вещества.

3.5. Физическое противоречие: выделенная зона внешней среды должна быть заполнена веществом, чтобы обеспечить теплоизоляцию, и не должна быть заполнена веществом, чтобы свободно пропускать шлак.

4.1. б. Искомое вещество должно само появляться при заполнении ковша шлаком и само исчезать при сливе шлака.

К ЦЕЛИ - С МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТЬЮ

Присмотритесь к логике анализа. Дана система из многих элементов: доменной печи, ковша, платформы и т. д. На 2.2 выбраны два конфликтующих элемента: шлак и воздух. На 2.3 сформулирована суть конфликта. Шаг 2.4 соединяет записи 2.2  и 2.3: если они правильно сделаны, соединение получается логичным. 3.1 - выделяем один элемент. 3.2 - составляет формулировку ИКР для этого элемента. 3.3 - выделяем часть одного элемента. 3.4 - переходим от противоречивых технических требований к противоречивым физическим требованиям. Если 3.3 и 3.4 выполнены правильно, они легко соединяются в формулировку физического противоречия на шаге 3.5. На 4.1 сделан первый шаг к устранению противоречия: отмечено, что противоречивые требования допускают разделение во времени.

Итак, физическое противоречие сформулировано и привязано к определенной зоне. Мы знаем также, что это противоречие должно быть устранено с помощью вещества, способного легко появляться и столь же легко исчезать. Правила вепольного анализа позволяют уточнить: вещество, вводимое для разрушения веполя, должно быть видоизменением имеющихся веществ (в этом случае преодолевается противоречие "вещество есть и вещества нет"). Остается рассмотреть три варианта. В выделенной зоне могут быть:

видоизмененный воздух (единственная возможность - горячий воздух, но это нарушает требование ИКР, так как придется ставить систему подогрева);

видоизмененный шлак (единственная возможность - твердые гранулы шлака, они задержат тепло, но пропустят жидкий шлак; ближе к ИКР, но все же придется специально изготавливать гранулы, засыпать их и каким-то образом удерживать при сливе жидкого шлака; интересно отметить, что этот ответ совпадает с 4,1 г);

видоизмененная смесь воздуха и шлака - шлаковая пена (отличный теплоизолятор, легко изготовляется прямо в ковше, никаких помех при сливе шлака).

Ответ очевиден - вспенить шлак. Для образования пены нужен газ (или пар). Вот мы и пришли к "дикой", но очень близкой к ИКР идее: для сохранения тепла в расплав следует бросить кусок льда (сухого или обыкновенного) или просто налить немного воды... Остается добавить: задача впервые решена именно по АРИЗ, решение запатентовано и внедрено.

А теперь задача для тренировки.

Задача 16. Для очистки жидкой стали от примесей металл перемешивают со шлаком. С этой целью через расплав пропускают ток, а тигель располагают между полюсами электромагнита. Электроды поставлены несимметрично, неоднородное электрическое поле перемешивает металл. Если взять тяжелый шлак, можно хорошо перемешать шлак со сталью, но потом трудно отделить шлак (он медленно всплывает). Если взять легкий шлак, он всплывает быстро, но такой шлак плохо перемешивается со сталью и потому плохо ее очищает. Сделайте запись решения с шага 2.2 по шаг 3.5.

Это задача на анализ. Достаточно правильно сформулировать физическое противоречие. Но если хотите, поищите техническое решение. При этом все время помните об ИКР: годится только такое решение, в котором противоречие устранено "без ничего" - без затрат, переделок и т. п.

Главное средство управления мышлением в процессе решения задачи по АРИЗ - это сама программа, определяющая последовательность и характер мыслительных операций. Но есть и другие средства, например так называемый оператор РВС, используемый в первой части АРИЗ. Оператор РВС - это шесть мысленных экспериментов над условиями задачи. Первый эксперимент состоит в том, что мысленно уменьшают размеры рассматриваемой системы, резко изменяя ее образ. Это позволяет гасить психологическую инерцию, навязывающую привычное представление о системе.

Упражнение 3. Объект - нефтепровод. Надо мысленно уменьшить его размеры (диаметр, толщину стенок) до минимально возможной величины (например, толщина стенок - атом). Возникает новая техническая система: нефтепровод на микроуровне. Как он устроен? Как работает? Какие новые особенности появились в результате перехода на микроуровень? Нельзя ли некоторые из этих особенностей перенести на обычный нефтепровод?

АРИЗ-77 ФРАГМЕНТ

ЧАСТЬ 2. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ ЗАДАЧИ

2.1. Записать условия задачи, не используя специальные термины.

2.2. Выделить и записать конфликтующую пару элементов. Если по условиям
задачи дан только один элемент, перейти к шагу 4.2.

Правило 1. В конфликтующую пару элементов обязательно должно входить изделие.

Правило 2. Вторым элементом пары должен быть элемент, с которым непосредственно взаимодействует изделие (инструмент, второе изделие, внешняя среда).

Правило 3. Если один из элементов (инструмент) по условиям задачи может иметь два состояния, надо взять то состояние, которое обеспечивает наилучшее осуществление главного производственного процесса (основной функции этой технической системы, указанной в задаче).

Правило 4. Если в задаче есть пары однородных взаимодействующих элементов, достаточно взять одну пару.

2.3. Записать два взаимодействия (действия, свойства) инструмента и изделия: имеющееся и то, которое надо ввести (или: полезное и вредное).

2.4. Записать стандартную формулировку модели задачи, указав конфликтующую пару и техническое противоречие.

ЧАСТЬ 3. АНАЛИЗ МОДЕЛИ ЗАДАЧИ

3.1. Выбрать из элементов, входящих в модель задачи, тот, который можно легко изменять, заменять и т. д.

Правило 5. Технические объекты легче менять, чем природные.

Правило 6. Инструменты легче менять, чем изделия.

Правило 7. Если в системе нет легко изменяемых элементов, следует указать "внешнюю среду".

3.2. Записать стандартную формулировку ИКР (идеального конечного результата).

Элемент (указать элемент, выбранный на 3.1) сам (сама, само) устраняет (указать вредное воздействие), сохраняя способность выполнять (указать полезное воздействие).

Правило 8. В формулировке ИКР всегда должно быть слово "сам" ("сама", "само").

3.3. Выделить ту зону элемента (указанного в 3.2), которая непосредственно не справляется с требуемым по ИКР комплексом двух взаимодействий. Что в этой зоне - вещество, поле?

3.4. Сформулировать противоречивые физические требования, предъявляемые к состоянию выделенной зоны элемента конфликтующими взаимодействиями (действиями, свойствами).

а. Для действия 1 (указать полезное взаимодействие или то взаимодействие, которое надо сохранить) необходимо (указать физическое состояние: быть нагретой, подвижной, заряженной и т. д.).

б. Для действия 2 (указать вредное взаимодействие или взаимодействие, которое надо ввести) необходимо (указать физическое состояние: быть холодной, неподвижной, незаряженной и т. д.).

Правило 9. Физические состояния, указанные в пунктах "а" и "б", должны быть взаимопротивоположными.

3.5. Записать стандартную формулировку физического противоречия:

(Указать выделенную зону элемента) должна (указать состояние на 3.4а), чтобы выполнять (указать полезное взаимодействие), и должна (указать состояние, означенное на 3.46), чтобы предотвращать (указать вредное воздействие).

ЧАСТЬ 4. УСТРАНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ПРОТИВОРЕЧИЯ

4.1. Рассмотреть простейшие преобразования выделенной зоны:

а. Разделение противоречивых свойств в пространстве.

б. Разделение противоречивых свойств во времени.

в. Разделение противоречивых свойств путем использования переходных состояний, при которых сосуществуют или попеременно появляются противоположные свойства.

г. Разделение противоречивых свойств перестройкой структуры: частицы выделенной зоны наделяются имеющимся свойством, а вся выделенная зона в целом наделяется требуемым (конфликтующим) свойством.

Правило 10. Рассматривать только те преобразования, которые соответствуют ИКР (т.е. осуществляются сами по себе).

(Окончание)

Г. АЛЬТШУЛЛЕР,
инженер
г. Баку