XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ) - наука об общих законах развития искусственных систем.

Г.С. Альтшуллер совместно с Р.Б. Шапиро в 1946 году первые осознали необходимость создания технологии, позволяющей отказаться от метода проб и ошибок и направленно искать решение. Они проанализировали тысячи патентов и выяснили, что техника развивается закономерно. Эти закономерности можно познать и использовать для развития систем и при решении изобретательских задач. Они также выяснили, что для решения сложных изобретательских задач необходимо выявить и разрешить противоречия, т. е. определить корень проблемы и удалить этот корень. Первая публикация была выпущена им и Рафаэлем Шапиров 1956 году.

В это время развитие ТРИЗа происходило не в рамках науки, рецензирование статей и научный метод не применялись, место полноценной научной дискуссии занимали активная общественная деятельность по популяризации ТРИЗа, публикация книг и проведение учебных семинаров. Так, Альтшуллер сам проводил занятия по ТРИЗу в 1948—1998 годах, а до 1970-х годов обучение ТРИЗу проходило преимущественно на экспериментальных семинарах.

В советский период дискуссия вокруг ТРИЗа не выходила за рамки закрытой группы его создателей, потенциальные изменения в ТРИЗе одобрялись лично Альтшуллером. Несмотря на это, ТРИЗ использовался на практике — в СССР.

В 1990-х годах ТРИЗ стал известен за пределами бывшего СССР, в том числе - он начал применяться некоторыми международными компаниями, самый известный пример из которых - Samsung. Эта компания активно использует его при создании инноваций.

В 2000-х годах по ТРИЗу стали появляться научные статьи, однако он продолжает оставаться малоизвестным в академических кругах. Например, в технологических университетах, занимающих 30 первых мест по рейтингу QS World University Rankings, из 294 курсов, посвящённых инженерному проектированию и разработке новых продуктов, только два упоминают ТРИЗ в своей учебной программе.

С одной стороны, ТРИЗ называют одним из наиболее развитых и результативных наборов методов, помогающих на начальном этапе инженерной деятельности; в то же время отмечается ограниченное применение ТРИЗа промышленными компаниями, а также слабая связь ТРИЗа с наукой.

Объектом ТРИЗ являются все искусственные системы. ТРИЗ вводит такие понятия, как ТРИЗный подход, ТРИЗное мышление и прочие.

ТРИЗ является междисциплинарной наукой, призванной объединить и систематизировать знания тех областей, которые до сих пор было принято считать различными и несовместимыми. Данная цель достигается в ТРИЗ за счёт анализа и выявления общих принципов, подходов, законов, закономерностей и тенденций развития в процессе научного познания. Наиболее весомыми теориями, объединяемыми ТРИЗ, можно назвать следующие:

Теория систем

Системные исследования

Теория принятия решений

Синергетика

Кибернетика

Теория информации

Теория управления

Общая теория систем (теория систем) — научная и методологическая концепция исследования объектов, представляющих собой системы. Она тесно связана с системным подходом и является конкретизацией его принципов и методов.

Первый вариант общей теории систем был выдвинут Людвигом фон Берталанфи. Его основная идея состояла в признании изоморфизма законов, управляющих функционированием системных объектов.

Современные исследования в общей теории систем должны интегрировать наработки, накопленные в областях «классической» общей теории систем, кибернетики, системного анализа, исследования операций, системной инженерии и синергетики.

Теория принятия решений — область исследования, вовлекающая понятия и методы математики, статистики, экономики, менеджмента и психологии с целью изучения закономерностей выбора людьми путей решения проблем и задач, а также способов достижения желаемого результата.

Различают нормативную теорию, которая описывает рациональный процесс принятия решения и дескриптивную теорию, описывающую практику принятия решений.

Синергетика - междисциплинарное направление науки, объясняющее образование и самоорганизацию моделей и структур в открытых системах, далеких от термодинамического равновесия.

Основное понятие синергетики — определение структуры как состояния, возникающего в результате многовариантного и неоднозначного поведения таких многоэлементных структур или многофакторных сред, которые не деградируют к стандартному для замкнутых систем усреднению термодинамического типа, а развиваются вследствие открытости, притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, появления особых режимов с обострением и наличия более одного устойчивого состояния. В обозначенных системах неприменимы ни второе начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии, что может привести к образованию новых структур и систем, в том числе и более сложных, чем исходные. В отдельных случаях образование новых структур имеет регулярный, волновой характер, и тогда они называются автоволновыми процессами (по аналогии с автоколебаниями).

Кибернетика - наука об общих закономерностях получения, хранения, преобразования и передачи информации в сложных управляющих системах, будь то машины, живые организмы или общество.

Кибернетика включает изучение обратной связи, чёрных ящиков и производных концептов, таких как управление и коммуникация в живых организмах, машинах и организациях, включая самоорганизации. Она фокусирует внимание на том, как что-либо (цифровое, механическое или биологическое) обрабатывает информацию, реагирует на неё и изменяется или может быть изменено, для того чтобы лучше выполнять первые две задачи. Стаффорд Бир назвал её наукой эффективной организации, а Гордон Паск расширил определение, включив потоки информации «из любых источников», начиная со звёзд и заканчивая мозгом.

Теория информации- раздел прикладной математики, радиотехники (теория обработки сигналов) и информатики, относящийся к измерению количества информации, её свойств и устанавливающий предельные соотношения для систем передачи данных. Как и любая математическая теория, теория оперирует математическими моделями, а не реальными физическими объектами (источниками и каналами связи). Использует, главным образом, математический аппарат теории вероятностей и математической статистики.

Основные разделы теории информации — кодирование источника (сжимающее кодирование) и канальное (помехоустойчивое) кодирование. Теория информации тесно связана с информационной энтропией, коммуникационными системами, криптографией и другими смежными дисциплинами.

Теория управления- наука о принципах и методах управления различными системами, процессами и объектами.

Теоретической базой теории управления являются кибернетика и теория информации.

Суть теории управления состоит в построении на основе анализа данной системы, процесса или объекта такой абстрактной модели, которая позволит получить алгоритм управления ими в динамике, — для достижения системой, процессом или объектом состояния, которое требуется целями управления.

Теория управления, как и любая другая наука, имеет свои предмет, функцию, цели, задачи и методы. При этом методы теории управления довольно сильно различаются в зависимости от области применения, — в кибернетике, прикладной математике, компьютерном программировании, социологии, политологии, правоведении, в экономике.

Изобретательская ситуация и изобретательская задача

По мнению Альтшуллера, первый шаг на пути к изобретению — переформулировать ситуацию таким образом, чтобы сама формулировка отсекала бесперспективные и неэффективные пути решения. После этого можно переформулировать изобретательскую ситуацию в стандартную мини-задачу: «согласно ИКР, всё должно остаться так, как было, но либо должно исчезнуть вредное, ненужное качество, либо появиться новое, полезное качество». Основная идея мини-задачи в том, чтобы избегать существенных (и дорогих) изменений и рассматривать в первую очередь простейшие решения.

Формулировка мини-задачи способствует более точному описанию задачи:

Из каких частей состоит система, как они взаимодействуют?

Какие связи являются вредными, мешающими, какие — нейтральными, и какие — полезными?

Какие части и связи можно изменять, и какие — нельзя?

Какие изменения приводят к улучшению системы, и какие — к ухудшению?

Противоречия

После того, как мини-задача сформулирована и система проанализирована, согласно теории Альтшуллера, должно обнаруживаться, что попытки изменений с целью улучшения одних параметров системы приводят к ухудшению других параметров. Например, увеличение прочности крыла самолёта может приводить к увеличению его веса, и наоборот — облегчение крыла приводит к снижению его прочности. В системе возникает конфликт, противоречие.

ТРИЗ выделяет 3 вида противоречий (в порядке возрастания сложности разрешения):

административное противоречие: «надо улучшить систему, но я не знаю как (не умею, не имею права) сделать это». Это противоречие является самым слабым и может быть снято либо изучением дополнительных материалов, либо принятием административных решений.

техническое противоречие: «улучшение одного параметра системы приводит к ухудшению другого параметра». Техническое противоречие — это и есть постановка изобретательской задачи. Переход от административного противоречия к техническому резко понижает размерность задачи, сужает поле поиска решений и позволяет перейти от метода проб и ошибок к алгоритму решения изобретательской задачи, который либо предлагает применить один или несколько стандартных технических приёмов, либо (в случае сложных задач) указывает на одно или несколько физических противоречий.

физическое противоречие: «для улучшения системы какая-то её часть должна находиться в разных физических состояниях одновременно, что невозможно». Физическое противоречие является наиболее фундаментальным, потому что изобретатель упирается в ограничения, обусловленные физическими законами природы. Для решения задачи изобретатель должен воспользоваться справочником физических эффектов и таблицей их применения.

Информационный фонд

Он состоит из:

приёмов устранения противоречий и таблицы их применения;

системы стандартов на решение изобретательских задач (типовые решения определённого класса задач);

технологических эффектов (физических, химических, биологических, математических, в частности, наиболее разработанных из них в настоящее время — геометрических) и таблицы их использования;

ресурсов природы и техники и способов их использования.

Система приёмов

ТРИЗ включает список из 40 основных приёмов. Работа по составлению списка таких приёмов была начата Г. С. Альтшуллером ещё на ранних этапах становления теории решения изобретательских задач. Эти приёмы показывают лишь направление и область, где могут быть сильные решения. Конкретный же вариант решения они не выдают. Эта работа остаётся за человеком.
Система приёмов, используемая в ТРИЗ, включает простые и парные (приём-антиприём).

Простые приёмы позволяют разрешать технические противоречия. Среди простых приёмов ТРИЗа наиболее популярны 40 основных (типовых) приёмов (вместе с подприёмами — более 100).

Парные приёмы состоят из приёма и антиприёма, с их помощью можно разрешать физические противоречия, так как при этом рассматривают два противоположных действия, состояния, свойства.

Стандарты на решение изобретательских задач

Стандарты на решение изобретательских задач представляют собой комплекс приёмов, использующих физические или другие эффекты для устранения противоречий или их обход. Это своего рода формулы, по которым решаются задачи. Для описания структуры этих приёмов Альтшуллером был создан вещественно-полевой (вепольный) анализ.

Система стандартов состоит из классов, подклассов и конкретных стандартов. Она включает в себя 76 стандартов. С помощью этой системы предлагается не только решать, но и выявлять новые задачи и прогнозировать развитие технических систем. Основные классы стандартов:

Стандарты на изменение систем

Стандарты на обнаружение и измерение систем

Стандарты на применение стандартов

Технологические эффекты

Технологический эффект — это преобразование одних технологических воздействий в другие. Могут требовать привлечения других эффектов — физических, химических и т. п.

Физические эффекты

Согласно Альтшуллеру насчитывалось около пяти тысяч физических эффектов и явлений. В разных областях техники могут применяться различные группы физических эффектов, но есть и общеупотребительные. Их по Альтшуллеру примерно 300—500.

Химические эффекты

По Альтшуллеру химические эффекты — это подкласс физических эффектов, при котором изменяется только молекулярная структура веществ, а набор полей ограничен в основном полями концентрации, скорости и тепла. Ограничившись лишь химическими эффектами, зачастую, можно ускорить поиск приемлемого решения.

Биологические эффекты

Биологические эффекты — это эффекты, производимые биологическими объектами (животными, растениями, микробами и т. п.). Применение биологических эффектов в технике позволяет не только расширить возможности технических систем, но и получать результаты, не нанося вреда природе. С помощью биологических эффектов можно выполнять различные операции: обнаружение, преобразование, генерирование, поглощение вещества и поля и другие операции.

Математические эффекты

Среди математических эффектов наиболее разработанными являются геометрические. Геометрические эффекты — это использование геометрических форм для различных технологических преобразований. Широко известно применение треугольника, например, использование клина или скользящих друг по другу двух треугольников.

Ресурсы

Вещественно-полевые ресурсы (ВПР) — это ресурсы, которые можно использовать при решении задач или развитии системы. По Альтшуллеру использование ресурсов увеличивает идеальность системы.

Законы развития технических систем

Г.С. Альтшуллер в книге «Творчество как точная наука» (М.: «Советское радио», 1979) сформулировал «законы развития технических систем», сгруппированные в три условные блока:

Статика — законы 1—3, определяющие условия возникновения и формирования ТС;

Кинематика — законы 4—6, 9 определяют закономерности развития вне зависимости от воздействия физических факторов. Важны для периода начала роста и расцвета развития ТС;

Динамика — законы 7—8 определяют закономерности развития ТС от воздействия конкретных физических факторов. Важны для завершающего этапа развития и перехода к новой системе.

Самый важный закон рассматривает «идеальность» (одно из базовых понятий в ТРИЗ) системы.

Вещественно-полевой (вепольный) анализ

Веполь (вещество + поле) — модель взаимодействия в минимальной системе, в которой используется характерная символика.

Г.С. Альтшуллер разработал методы для анализа ресурсов. Несколько из открытых им принципов рассматривают различные вещества и поля для разрешения противоречий и увеличения идеальности технических систем.

Ещё одна техника, которая широко используется сторонниками ТРИЗа, заключается в анализе веществ, полей и других ресурсов, которые не используются, и которые находятся в системе или рядом с ней.

Алгоритм решения изобретательских задач

Алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ) — пошаговая последовательность действий по выявлению и разрешению противоречий в решаемой задаче. Алгоритм позволяет отбросить множество неподходящих или слабых вариантов решения[10], которых для некоторых задач может быть больше миллиона. Сам алгоритм состоит примерно из 85 шагов, в зависимости от версии алгоритма. АРИЗ включает:

собственно программу,

информационное обеспечение, питающееся из информационного фонда

методы управления психологическими факторами, которые входят составной частью в методы развития творческого воображения.

Список использованных источников

Альтшуллер, Г.С. Как научиться изобретать. — Тамбов: Тамбовское книжное издательство. — 1961.

Альтшуллер, Г.С. Творчество как точная наука (оглавление). — М.: Советское радио, 1979.

Альтшуллер, Г.С. Найти идею. — Новосибирск: Наука, 1986 (1-е изд.), 1991 (2-е изд.).

Код для цитирования: Скопировать