Ключ к проблеме: законы развития технических систем

Итак, нужны приемы, позволяющие выявлять и устранять физические противоречия, содержащиеся в изобретательских задачах. Эти приемы позволяют резко сократить поисковое поле и без «поштучной» проверки отбросить множество «пустых» вариантов.

Несколько приемов мы уже назвали: разделение противоречивых свойств в пространстве или во времени, использование переходных состояний веществ. А еще? Где взять набор приемов, достаточно богатый, чтобы решать самые различные изобретательские задачи? Ответ очевиден: ФП присущи только изобретательским задачам высших уровней, поэтому приемы устранения ФП надо искать в решениях этих задач. Практически это означает, что необходимо отобрать изобретения высших уровней и исследовать их описания. В таких описаниях обычно указаны исходная техническая система, ее недостатки и предлагаемая техническая система. Сопоставляя эти данные, можно выявить суть ФП и прием, использованный для его устранения.

Фонд описаний изобретений весьма велик: ежегодно в разных странах выдается около 300 тыс. патентов и авторских свидетельств. Для выявления современных приемов устранения ФП достаточно исследовать самый свежий «патентный слой» глубиной, скажем, в пять лет - это около 1,5 млн. изобретений. Цифра устрашающая. Однако первая же операция - отбор изобретений высших уровней - резко сокращает число описаний, подлежащих детальному исследованию. Изобретений пятого уровня очень мало - доли процента; четвертого уровня тоже немного - три-четыре процента. Если даже прихватить наиболее интересные изобретения третьего уровня, исследовать надо не более 10% изобретений в выделенном «патентном слое»: 150 тыс. описаний. Это - в идеальном случае. Для составления списка наиболее сильных приемов достаточен массив в 20-30 тыс. патентных описаний.

Хороший список приемов устранения ФП - уже немало. Но нужно уметь правильно выявлять противоречия, а также задать, когда и какой прием использовать, нужно располагать критериями для оценки полученных результатов. А для этого необходимо знать законы развития технических систем.

Развитие технических систем, как и любых других систем, подчиняется общим законам диалектики. Чтобы конкретизировать эти законы применительно именно к техническим системам, приходится опять-таки исследовать патентный фонд, но уже на значительно большую глубину. Нужно брать не «патентный слой», а, так сказать, «патентную скважину»: патентные и историко-технические материалы, отражающие развитие какой-то одной системы за 100-150 лет. Разумеется, для выявления универсальных законов нужна не одна, а многие «патентные скважины», - работа весьма и весьма сложная. Но, зная законы развития технических систем, можно уверенно отобрать наиболее эффективные приемы устранения противоречий и построить программу решения изобретательских задач.

Что такое объективные законы развития технических систем? Рассмотрим конкретный пример. Киносъемочный комплекс - типичная техническая система, включающая ряд элементов: киносъемочный аппарат, осветительные приборы, звукозаписывающую аппаратуру и т. д. Аппарат ведет съемку с частотой 24 кадра в секунду, причем при съемке каждого кадра затвор открыт очень небольшой промежуток времени, иногда всего одну тысячную секунды. А светильники работают на постоянном токе (или на переменном, но обладают большой тепловой инерцией) и освещают съемочную площадку все время. Таким образом, полезно используется незначительная часть энергии. В основном энергия расходуется на вредную работу: утомляет артистов, нагревает воздух.

Обратите внимание: основные элементы этой системы «живут» каждый в своем ритме. Представьте себе животное с мозгом, работающим по 24-часовому циклу, и лапами, предпочитающими действовать, скажем, по 10-часовому циклу: у мозга наступает время сна, а лапы бодрствуют, они полны сил, по их «часам» полдень, надо бегать... Эволюция безжалостно бракует такие организмы. Но в технике очень часто создают «организмы с несогласованной ритмикой», а потом долго мучаются из-за присущих им недостатков.

Один из объективных законов развития технических систем состоит в том, что системы с несогласованной ритмикой вытесняются более совершенными системами с согласованной ритмикой. Так, в приведенном примере нужны безынерционные светильники, работающие синхронно и синфазно вращению шторки объектива. Тогда резко уменьшится расход энергии, улучшатся условия работы артистов.

Приведем пример из другой области техники. Для обеспечения выемки угля бурят в пласту скважины, заполняют их водой и передают через нее импульсы давления. Частота импульсов определяется случайными факторами, а пласт имеет свою частоту колебаний. Опять обе части системы работают в разных ритмах - явное нарушение закона согласования ритмики. И вот появляется а. с. № 317 797, в нем предлагается частоту импульсов установить равной собственной частоте колебаний угольного массива. Изобретения («просто импульсы» и «импульсы с частотой, равной собственной частоте разбуренного массива») разделены промежутком в семь лет. Эти семь потерянных лет - плата за незнание законов развития технических систем.

Согласование ритмики частей системы - лишь один из законов, определяющих развитие технических систем. Используя «свод» таких законов, можно построить программу решения изобретательских задач. Она даст возможность, не блуждая по поисковому полю, выйти в район решения, т. е. сократить число вариантов, скажем, до десятка.

Далее, казалось бы, совсем просто: надо рассмотреть десять вариантов и выбрать нужный. Но десять вариантов, полученных при переводе задачи на первый уровень, могут качественно отличаться от десяти вариантов, необходимых для решения задачи, которая с самого начала была задачей первого уровня. У «естественной» задачи первого уровня все варианты решения понятны изобретателю, они обычно прямо относятся к его специальности, не отпугивают своей сложностью. «Искусственная» задача первого уровня, полученная из задачи, скажем, четвертого уровня, может иметь решения «дикие» или выходящие за пределы знаний изобретателя. Предположим, анализ задачи отсек все «пустые» варианты, оставив только одну возможность: «Задачу удастся решить, если вращающаяся в сосуде жидкость будет прижиматься не к стенкам сосуда, а к его оси». Известно, что на вращающуюся жидкость действуют центробежные силы, направленные к стенкам сосуда. Скорее всего, изобретатель отбросит полученный вариант как явно противоречащий физике... Между тем существуют жидкости, в которых - вопреки обычным представлениям - при вращении возникают центростремительные силы! Это явление называется эффектом Вайссенберга [8, с. 149]. Оно выходит за пределы вузовской физики для инженеров, поэтому не все инженеры о нем знают.

Для уверенного решения задач нужна информация о всей физике. Именно о всей, потому что решение трудных задач часто связано с использованием малоизвестных физических эффектов или малоизвестных нюансов обычных физических эффектов. Более того, вся физика должна быть представлена в таком виде, чтобы эффекты не приходилось перебирать подряд. Иными словами, нужна не просто физика, нужны таблицы, связывающие типы изобретательских задач (или типы противоречий) с соответствующими физическими эффектами. В таком же виде должны быть представлены и чисто изобретательские приемы, выявленные путем анализа патентных материалов.

Но и этого мало. Нужно, чтобы изобретатель, действуя по программе, не боялся отбрасывать варианты, кажущиеся вероятными, и не боялся идти к идеям, кажущимся «дикими», т. е. необходимо управление психологическими факторами. Итак,

- эффективная технология решения изобретательских задач может основываться только на сознательном использовании законов развития технических систем;

- исходя из этих законов, можно построить программу решения изобретательских задач, позволяющую без перебора вариантов сводить задачи высших уровней к задачам первого уровня;

- чтобы свести задачу высшего уровня к задаче первого уровня, нужно прежде всего найти физическое противоречие, поэтому программа должна содержать операторы, позволяющие по определенным правилам выявлять физическое противоречие;

- для преодоления физических противоречий программа должна иметь информационный фонд, включающий фонд изобретательских приемов, выявленный путем анализа больших массивов современной патентной информации; фонд приемов должен быть представлен в виде таблиц использования приемов в зависимости от типа задачи или содержащегося в ней противоречия;

- информационный фонд должен включать также таблицы применения физических эффектов;

- программа должна иметь средства управления психологическими факторами, прежде всего средства активизации воображения и средства преодоления психологической инерции.

АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ (АРИЗ)

Программа, удовлетворяющая всем этим требованиям, получила название АРИЗ (алгоритм решения изобретательских задач).

Слово «алгоритм» в узком смысле означает абсолютно детерминированную последовательность математических операций. В широком смысле слова «алгоритм» - это любая достаточна четкая программа действий. Именно в этом смысле АРИЗ и назван алгоритмом.

Важно, однако, подчеркнуть, что с каждой новой модификацией в АРИЗ усиливаются главные признаки алгоритма: детерминированность, массовость, результативность.

Внешне АРИЗ представляет собой программу последовательной обработки изобретательских задач. Законы развития технических систем заложены в самой структуре программы или выступают в «рабочей одежде» - в виде конкретных операторов. С помощью этих операторов изобретатель шаг за шагом (без пустых проб) выявляет ФП и определяет ту часть технической системы, к которой оно «привязано». Затем используются операторы, изменяющие выделенную часть системы и устраняющие ФП. Тем самым трудная задача (т. е. задача не первого уровня) переводится в легкую задачу (первого уровня).

АРИЗ имеет специальные средства преодоления психологической инерции. Некоторые авторы полагают, что справиться с психологической инерцией нетрудно, достаточно помнить о ее существовании [9, с. 38-39]. Если бы это было так! Психологическая инерция поразительно сильна. Нужны не призывы помнить о ней, а конкретные операторы преобразования задачи. Например, условия задачи обязательно должны быть освобождены от специальной терминологии, потому что термины навязывают изобретателю старые и трудноизменяемые представления об объекте.

При разработке АРИЗ проводился систематический анализ патентного фонда. Выделялись и исследовались изобретения третьего и более высоких уровней, определялись содержащиеся в них технические и физические противоречия и типовые приемы их устранения. Для таблицы применения типовых приемов в одной из последних модификаций АРИЗ было проанализировано около 40 тыс. описаний отобранных изобретений высших уровней. Затем в течение трех лет таблица корректировалась: в нее вводились прогностические поправки, она проверялась на новых и сложных задачах. Такая таблица не только отражает коллективный опыт огромного числа изобретателей, но и имеет солидный запас прогностической прочности: рекомендуемые ею приемы не устареют в ближайшие 10-15 лет.

Для новых модификаций АРИЗ разработаны таблицы применения физических эффектов и создан подробный справочник «Указатель применения физических эффектов и явлений». С помощью таблиц можно определить эффекты, наиболее подходящие для преодоления содержащегося в задаче противоречия, «Указатель» дает сведения о самих эффектах и веществах, реализующих эти эффекты.

В сущности, АРИЗ организует мышление изобретателя так, как будто в распоряжении одного человека имеется опыт всех (или очень многих) изобретателей. И, что очень важно, опыт этот применяется талантливо. Обычный, даже очень опытный изобретатель черпает из опыта решения, основанные на внешней аналогии: вот эта новая задача похожа на такую-то старую задачу, значит, и решения должны быть похожи. «Аризный» изобретатель видит намного глубже: вот в этой новой задаче такое-то ФП, значит, можно использовать решение из старой задачи, которая внешне совсем не похожа на новую, но содержит аналогичное ФП. Стороннему наблюдателю это кажется проявлением мощной интуиции...

Информационный аппарат АРИЗ регулярно пополняется и совершенствуется. Вообще АРИЗ быстро развивается. Модификации АРИЗ имеют индексы с обозначением года публикации, а не очередного номера. Четкое указание на «год выпуска» обязывает систематически улучшать АРИЗ, не давая ему стареть.