Метод проб и ошибок

Синтез вариантов

Ранее и до настоящего времени большая часть нестандартных задач решалась человеком на интуитивном уровне. Это МЕТОД ПРОБ ИОШИБОК : последовательное выдвижение и рассмотрение идей. Человек сталкивается с проблемой, многократно мысленно ищет ответ, перебирает варианты и, наконец, находит решение. Десятки, сотни, тысячи попыток на протяжении дней, недель, лет. В конце концов, в большинстве случаев решение находится.

Главный недостаток метода проб и ошибок - это, во-первых, медленное генерирование новых идей, а во-вторых, отсутствие защиты от психологической инерции, то есть выдвижение идей тривиальных, обыденных, неоригинальных.

Следующим шагом в совершенствовании технологии явился переход к направленным методам поиска решений, которые базируются: на раскрытии и описании процесса решения; на представлении его в виде некоторого эвристического алгоритма. Направленность эвристических методов - раскачать мышление, помочь по-новому увидеть задачу, преодолеть стереотипы.

Метод эвристических приемов позволяет не только соединять по-новому известные части, но и изобретать новые. Метод эвристических приемов возник на основе метода "проб и ошибок", то есть метода, которым в большинстве случаев пользовались для того, чтобы что-то улучшить. А улучшали либо путем логического анализа недостатков поставленной задачи, либо перенесением и приспособлением аналогичного решения задачи в природе или в другой области знаний, либо в результате случайных изменений.

При успешном решении какой-либо творческой задачи, человек получает два результата: это само решение поставленной задачи и методический опыт, т.е. уяснение процесса решения данной конкретной задачи. Но проблема заключается в том, что решение одной задачи нельзя просто перенести на решение другой. Поэтому только после решения определенного числа задач у человека появлялся набор правил, указаний или приемов решения той или иной задачи.

Такие методические правила называют эвристическими приемами. Эвристический прием - краткое правило или указание. В эвристическом приеме содержится краткое предписание или указание, как преобразовать указанный прототип или в каком направлении нужно искать, чтобы получить искомое решение. Эвристический прием содержит подсказку, но он не гарантирует нахождения решения.

Сложность использования эвристических приемов состоит в том, что не любой человек может видеть задачу в целом, то есть, не обладает системным подходом к решению задач. Причем необходимость в таком подходе возрастает с увеличением сложности задачи. Это приводит к тому, что человек не может применить эвристический прием к конкретной задаче и не понимает о чем идет речь. Различным людям требуется приложить различные усилия, чтобы догадаться о том, как применить эвристический прием и получить решение задачи. Но перед решением задачи должны быть описаны и уяснены критерии, по которым будет оцениваться полученное решение. Это поможет отбросить ненужные решения при использовании эвристических приемов и понять, в каком направлении следует двигаться, чтобы прийти к решению.

Итак, у каждого человека, занимающегося созданием программ, со временем накапливается опыт, и появляются способы решения разнообразных задач. Причем с увеличением опыта в этих способах увеличивается доля системного подхода. То есть со временем человек получает такой способ, который становится применимым для решения большего числа задач, чем было раньше.

Постепенно у специалиста накапливается фонд таких практических приемов.

Наибольшее количество эвристических приемов как раз и ориентировано на преодоление противоречий. Противоречие в задаче - ситуация, требующая одновременного улучшения двух противоречивых показателей качества, и совмещения казалось бы несовместимых требований. Ряд приемов просто способствует активизации мышления.

Первое, что приходит в голову в ситуации с противоречиями - найти наилучшее соотношение между показателями. Если потенциальные возможности структуры объекта велики, то на этом пути иногда удается получить приемлемые значения всех показателей. Однако удается это не всегда.

Следующий, естественный для человека, шаг в ситуации, когда потенциальные возможности структуры недостаточны и компромисс оказывается неприемлемым, - перейти к новой структуре с большими потенциями, обеспечивающими достижение приемлемых значений конкурирующих показателей качества.

Однако предпочтительным является иной вариант действий. Как показывает опыт, во многих ситуациях содержатся скрытые ресурсы, использование которых позволяет кардинальным образом разрешить противоречие. Такими скрытыми, во многих случаях, являются три вида ресурсов: временные, пространственные и "бросовые". К "бросовым" мы относим ресурсы, имеющиеся в системе (но, как правило, не считающиеся ресурсом, по крайней мере, в рамках решаемой задачи), использование которых не связано с какими-то дополнительными затратами.

Наиболее продуктивные способы разрешения противоречий - разнесение их во времени, пространстве или использование "бросовых" ресурсов. Эти общие рекомендации могут иметь различную трактовку в конкретных ситуациях.

Часто задачи решаются методом проб и ошибок, т.е. путем логического анализа недостатков и их устранения. Если таким образом задача решена, то изобретатель, помимо решения, приобретает еще и метод решения. При появлении другой задачи изобретатель примеряет к ее решению прежде всего известные ему методы поиска идеи. Если эти методы не дают желаемого результата, то изобретатель решает задачу опять методом проб и ошибок и находит новый метод. Так постепенно у человека формируется набор методов, приемов. Такие приемы называют эвристическими.

Эвристические приемы (ЭП) содержат указания, предписания, подсказки, как преобразовать имеющийся прототип, или в каком направлении искать решение.

Опытные изобретатели составляют свой индивидуальный набор (фонд) приемов. Из большого межотраслевого фонда приемов они выписывают некоторые приемы для себя, излагая их своим языком, снабжая своими примерами.

Межотраслевой фонд эвристических приемов содержит описания 180 приемов, разделенных на 12 групп.

Примеры эвристических приемов:

· изменить традиционную ориентацию объекта в пространстве: горизонтальное положение на вертикальное или наклонное;

· изменить габаритные размеры, объем или длину объекта при переводе его в рабочее или нерабочее состояние.

· элементу, работающему под нагрузкой, придать выпуклую форму;

· вместо твердых частей использовать жидкие или газообразные (надувные, воздушные подушки).

· присоединить к объекту новый элемент в виде жестко или шарнирно соединенной пластины, трубы, находящейся в рабочей среде;

· заранее расставить элементы так, чтобы они могли вступить в действие с наиболее удобного места;

· перейти от неподвижного физического поля к движущемуся;

· использовать массу объекта (элемента).

Алгоритм решения задачи поиска новых решений.

Решение задачи поиска каждого нового решения выполняется в следующей последовательности:

1. Постановка задачи.

2. Решение задачи.

3. Оценка вариантов и выбор решения.

Постановка задачи

Постановка задач проводится в случае, когда нужно улучшить прототип, когда заданная цель не может быть достигнута по причине противоречия в системе. Если задача правильно сформулирована, то до ее решения часто бывает один шаг. Поэтому не следует экономить время на процессе постановки задачи.

Постановка задачи выполняется в пять этапов:

1. Описание проблемной ситуации;

2. Описание функции (назначения) объекта.

3. Выбор прототипа и составление списка требований.

4. Составление списка недостатков прототипа.

5. Формулировка задачи.

1. Описание проблемной ситуации - краткая формулировка за-
дачи, в которой содержатся ответы на следующие вопросы:

· в чем состоит проблемная ситуация и какова ее предыстория;

· что нужно сделать для устранения проблемной ситуации;

· что мешает устранению проблемной ситуации;

· что дает решение задачи для людей.

Описание функции (назначения) системы.

Сначала дают обобщенное качественное описание, а затем приводят количественное описание.

Выбор прототипа и составление списка требований.

Из числа аналогов выбирают прототип – наиболее близкий аналог по сущности и достигаемому результату при его использовании.

Круг экономико-математических моделей и методов, используемых в экономическом анализе, чрезвычайно широк, однако их применение сдерживается затрудненностью адекватного описания производственного процесса, получения решений в условиях высокой размерности задач, а также отсутствием необходимой для этого случая квалификации управленческого персонала. Методология экономического анализа, таким образом, должна быть расширена. Приемы исследования в экономическом анализе разделяют на две общие группы: качественные и количественные. Одним из видов качественных технических приемов являются эвристические.

Эвристика – приемы и методы принятия решений, использующие интуицию и опыт специалистов в решении аналогичных проблем.

Эвристические приемы экономического анализа представляют собой совокупность логических приемов и методических правил теоретического исследования и поиска приемлемого решения, которая опирается в определенной мере на изобретательность и творческий поиск и активно использует методику «наводящих» вопросов. Эвристические приемы можно разделить на три группы:

1. Методы индивидуального творческого поиска.

2. Методы коллективного творческого поиска.

3. Методы активизации творческого поиска.

1. Метод аналогий, метод инверсии, метод идеализации.

Метод аналогии состоит в использовании уже известного решения, которое было применено в подобной ситуации, либо подсказано технической, экономической, художественной литературой, «подсмотрено» в природе.

Метод инверсии состоит в применении таких подходов, как: перевернуть «вверх ногами», поменять местами, «вывернуть наизнанку».

Метод идеализации направлен на получение представления об идеальном варианте решения проблемы. Рассматривать идеальные решения полезно (даже когда имеет место фантазирование), т. к. они могут привести к новой идее.

2. «Мозговой штурм», конференция идей, метод коллективного блокнота.

«Мозговой штурм» – это наиболее эффективный метод генерирования новых идей путем творческого сотрудничества специалистов.

Конференция идей отличается от метода «мозгового штурма» тем, что активно поощряет критику в форме реплик и комментариев. Считается, что критика может повысить ценность идеи, которая предлагается.

Метод коллективного блокнота объединяет индивидуальное продвижение идей каждым членом рабочей группы с их коллективной оценкой. Каждый участник группы получает блокнот, в котором в доступной форме изложена суть решаемой проблемы.

3. Метод контрольных вопросов, метод фокальных объектов, метод морфологического анализа.

Метод контрольных вопросов заключается в нахождении решения проблемы с помощью «наводящих» вопросов.

Сущность метода фокальных объектов заключается в перенесении признаков случайно избранных объектов на объект, который совершенствуется, и находится будто бы в фокусе переноса (отсюда название).

Метод морфологического анализа базируется на комбинаторике и систематическом изучении всех теоретически возможных вариантов, которые вытекают из закономерностей строения (морфологии) изучаемого объекта.

В экономическом анализе также популярны эвристические методы прогнозирования – методы, используемые для прогнозирования поведения сложных систем с множеством параметров и целей, когда нет возможности формализовать прогноз в виде математических моделей. Различают две группы таких методов: интуитивные, основанные на личной эрудиции, проницательности и опыте эксперта; аналитические, основанные на логическом анализе модели процесса развития объекта прогнозирования. Результаты могут быть выражены математическими и графическими моделями, матрицами и сетями.

Эвристические методы получили достаточно широкое распространение в экономическом анализе, дальнейший прогресс в этом направлении связан с разработкой и внедрением экспертных систем.

Практически каждый из нас слышал или непосредственно сам употреблял фразу «методом проб и ошибок», не задумываясь, что под этим тривиальным выражением, плотно вошедшим в обиход, подразумевается научный эвристический метод. Психологи (например, Д. Халперн) уверены, что благодаря эвристическому познанию люди научились эффективно разбираться с проблемами и быстро принимать решения. Это не значит, что человек учится избегать ошибочных решений. Напротив, эвристический метод как раз и призван помочь в выборе стратегии действий в ситуации, когда исходных данных недостаточно для выработки единого правильного ответа, что в свою очередь не гарантирует абсолютной правильности. Особенность эвристической деятельности в том, что она характерна только для человека, что отличает его от искусственного интеллекта. Следовательно, многие гениальные и творческие решения – это, по сути, сумасбродные идеи, своеобразные «сбои», которые и приводят к оригинальности.

Эвристика: история и современность

Эвристика (от древнегреческого ευρίσκω – «отыскиваю», «открываю» ) – совокупность логических приемов, методов и правил, облегчающих и упрощающих решение познавательных, конструктивных, практических задач. Эвристика – это момент открытия нового, а также методы, которые используются в процессе этого открытия. Эвристикой еще называют науку, которая имеет дело с изучением творческой деятельности. В педагогике под этой категорией подразумевается метод обучения.

Как наука, изучающая творческое, неосознанное мышление человека, эвристика еще полностью не сформировалась. Ее предмет, методы тесно связаны с психологией, философией, физиологией высшей нервной деятельности и другими. Мы не будем сосредотачиваться на применении этого термина в конкретных отраслях науки, а предпримем попытку выяснить какие суждения, явления, смыслы исторически пребывали в центре понятия «эвристика».

По легенде, Архимед, принимая ванную, открыл один из главных законов гидростатики – закон вытеснения (названный позже в его честь). Следуя общепринятому мнению, после своего открытия он выкрикнул: «Эврика», что стало причиной привязки этого слова к открытию. Не будем судить о правдивости этой истории, достоверно известно другое. Именно в Древней Греции зародилась система обучения, называемая эвристикой. Ее автором был Сократ, а сводилась она к сократическим беседам (диалогу, в педагогике – сократический метод) – разговор учителя с учеником, в результате которого путем постановки наводящих вопросов, обучающийся самостоятельно приходит к нужному результату, находит решение задачи, что позволяет также развивать критическое мышление. В то же время, понятие «эвристика» употреблялось и в трактатах древнегреческих математиков (в особенности, Паппа Александрийского, которому многие приписывают первое упоминание этого термина), исходя из чего, можно судить о довольно широкой основе предмета этой отрасли.

В средние века значительный вклад в развитие эвристики внес Раймонд Луллий, который известен благодаря своей идее создания машины для решения самых разных задач на основе всеобщей классификации понятий.

Примерно до середины XIX века представления об эвристике как методе творчества и познания в целом сводились к уже упомянутому методу проб и ошибок. В Википедии приводится любопытная статистика: Томас Эдисон, работая над устройством щелочного аккумулятора, провел около 50 тыс. экспериментов!

Выделение эвристики из системы логического знания началось в 1850-1860-х гг. До этого попытки выделить эвристику в отдельную науку предпринимались Эвклидом, Р. Декартом, Г. Лейбницем. Но лишь в обозначенный период в науке начал формироваться подход к эвристике как своеобразному междисциплинарному методу со своими правилами, уверены канадские ученые М. Романисия и Ф. Пелатье, разрабатывающие данную проблематику.

Дальнейшее развитие эвристики связано с развитием в области других наук, в первую очередь психологии творчества и физиологии мозга. Современная психология и эвристика тесно связаны: они сосредотачиваются на задаче определения механизма принятия человеком решения в условиях недостаточности информации. Несовершенство эвристических методов приводит к ошибкам познания, которые в психологии принято называть когнитивными искажениями.

В ХХ веке основные успехи в развитии эвристики как науки были сопряжены с успехами ученых-психологов. Так, роль эвристики в принятии решений одними из первых изучили израильские психологи А. Тверски и Д. Канеман в 1973 г., но наибольшие достижения области связаны с именем нобелевского лауреата Г. Саймона. Он ввел понятие ограниченной реальности, которая отображает природу эвристической деятельности человеческого мозга. Суть идеи в том, что на выработку человеком решения влияют такие факторы как ограниченность имеющейся информации, познавательные границы разума и время.

Учение настолько прогрессивно, что в процессе его развития в современной психологии утвердилось такое понятие как «эвристика доступности», которым объясняются модели человеческого поведения. Если опустить научное определение этого термина и сформулировать его простыми словами, то эвристика доступности – это оценка реальности возникновения ситуации или явления на основе легкости приведения примеров для подтверждения. Важную роль в этом процессе играют СМИ. Например, увидев новости о кризисе и утрате рабочих мест, человек может начать думать, что тенденция глобальная и станет больше переживать по этому поводу, плохо спать, хуже справляться со своими обязанностями и в результате будет уволен. Прочитав в газете статью о победителе лотереи, может сложиться превратное мнение о том, что такое случается гораздо чаще, чем все привыкли думать, после чего последует желание потратить больше, чем обычно, денег на лотерейные билеты. Эвристика доступности – двустороннее явление, которое может быть как полезным (в плане быстродействия и реакции на проблему), так и негативным (в силу того, что может возникнуть заблуждение, которое приведет к недостаточной информированности или наоборот – значительной гиперболизации).

Эвристические методы

По сути, сама эвристика является методом, инструментом познания и поиска решения. Научное определение следующее: эвристические методы – логические приемы и методические правила научного исследования и изобретательского творчества, которые способны приводить к цели в условиях неполноты исходной информации и отсутствия четкой программы управления процессом решения задач.

При этом стоит помнить, что эвристика – молодая наука, поэтому не все понятия и правила в ней четко сформированные. В первую очередь это касается определения эвристического метода. Мы не будем глубоко вдаваться в общенаучную терминологию, а рассмотрим лишь те методы, которые пригодятся многим людям (в первую очередь менеджерам, управленцам, всем, чья деятельность связана с творчеством, принятием решений) в практической сфере.

Мозговой штурм – метод решения задачи путем внедрения процедуры группового . Разработан и описан психологом из США А. Осборном. Он вывел правило, что в любой компании есть люди, которые лучше генерируют идеи, но не склонны к анализу, и наоборот – есть люди, которые лучше детально осмысливают предложенное решение, но не в состоянии выработать его самостоятельно. На этом наблюдении и зиждется метод мозгового штурма – для решения поставленной задачи придумывается огромное количество возможных вариантов, без отбора хороших и плохих. Позже, на основе критического подхода, разработанные решения тщательно анализируются и оцениваются, после чего наиболее оригинальные и жизнеспособные воплощаются жизнь. Схематически работу метода можно описать так: отбор участников – постановка проблемы – штурм (выработка решения) – анализ полученного материала . Казалось бы, что может быть проще, но именно эта простота является и плюсом, и минусом данного метода. Помимо призыва быть оригинальным и выйти за рамки привычного образа мышления, точных методологических указаний в практике мозгового штурма нет.

Метод синектики родился из исследований практического применения метода мозгового штурма. Его автор, Дж. Гордон, профессор Гарвардского и Калифорнийского университетов, немного по-другому подошел к процессу отбора участников группы для решения проблемы и их работы. Суть метода в том, что члены группы (синекторы) проходят тщательный процесс отбора: 1 этап – оценка знаний, потенциала, опыта, 2 – потенциал творчества (эмоциональный фон, система ценностей), 3 – коммуникативные способности. После того как группа сформирована, она начинает работу также в видоизмененном ключе если сравнивать с предыдущим методом. Применение метода синектики подразумевает высказывание не идей в их завершенном виде, а разработку варианта сообща на основе знаний, эмоциональных ощущений, представлений каждого участника, которые становятся пищей для коллективного мышления. Преимущества данного метода состоят в том, что в таких условиях наиболее часто рождаются самые оригинальные решения. Из негативных сторон – падение продуктивности через небольшой период времени, когда группа входит в зону комфорта, а синекторы привыкают друг к другу.

Метод многомерных матриц (метод «морфологического ящика»). В качестве инструмента для повышения эффективности производства впервые был применен в Германии в 1907 г. неким Бернсом. Но детальный анализ был проведен в 1942 г. американским физиком швейцарского происхождения Ф. Цвикки. Идея метода в том, что новое – это либо другая комбинация известных составляющих старого, либо комбинация известного с пока еще неизвестным. В основе исследования или изобретения – не метод проб и ошибок, а комплексный анализ связей, которые можно просчитать с помощью матричного анализа проблематики. Несомненным преимуществом такого подхода является возможность открытия нового, оригинального решения. Но метод не лишен и недостатков: чем более трудоемкая задача – тем больше вариантов ее решения может быть в матрице, что осложняет поиск оптимального варианта.

Метод инверсии – эвристический метод, предполагающий поиск решения в новых, неожиданных, противоположных направлениях. В основу метода положена диалектика Гегеля, когда любой предмет или явление познаются через применение противоположных процедур творческого мышления: анализа и синтеза, логического и интуитивного, статики и динамики. Использование этого метода требует довольно развитых специальных навыков, базисных знаний и опыта, но при всем этом дает возможность найти самые неожиданные и оригинальные решения для поставленных задач.

8 практических эвристических правил

Эти правила пригодятся каждому, чья работа или увлечения связаны с творчеством. Их автор – Пол Плшек – консультант, тренер, автор с международным опытом. В поле зрения его интересов пребывают вопросы развития , творчества, внедрения инноваций.

Исследования показывают, что эвристика – это ключ к развитию мышления. Нижеприведенные правила могут быть полезными практически для всех, кто хочет выйти за привычные рамки суждений.

Правило 1. Сделайте привычкой целенаправленно замечать то, что происходит вокруг.

Автоматические процессы восприятия работают так, что многое из происходящего остается незамеченным. Важно научиться воспринимать мир свежим взглядом и без деталей здесь не обойтись. Это утверждение является частью общепринятой теории творческого мышления.

Правило 2. Сосредоточьте свои творческие силы на нескольких областях.

Целенаправленно исследуйте наследие великих творцов (скульпторов, живописцев, изобретателей – что вам интереснее и ближе, но не одну область). Хорошие идеи редко приходят внезапно, нужно усердно работать.

Правило 3. Избегайте слишком узких рамок.

Говоря журналистскими штампами – оставляйте простор для творческого маневра. Широкое определение темы не только даст возможность позже выделить более конкретную цель, но и собрать больше разной информации.

Правило 4. Ассоциации.

Попробуйте найти необычное применение окружающим вещам, придумывайте в теории оригинальные и полезные идеи, переносите их с одной области в другую.

Правило 5. Психическая механика: внимание, нестандартность, движение.

Для того, чтоб быть креативным нужно уметь сосредотачивать внимание на проблеме, избегать стандартных представлений о ее решении, продвигаться в процессе мышления с целью избежать преждевременных выводов.

Правило 6. Изучайте идеи, которые заставляют смеяться.

Смех – физиологическая реакция, вызывающая положительные эмоции. Работа с идеями, которые заставляют улыбаться – одна из самых продуктивных.

Правило 7. Идеи не абсолютны.

Ваши мысли и суждения не являются по сути правильными или неправильными. В творчестве важно проявлять гибкость, быть открытым для нового.

Правило 8. Воплощайте некоторые из своих идей.

Настоящие новаторы не просто генерируют идею, но и практически воплощают ее. Это дает возможность осознать разницу между креативностью и практической инновацией.

Эвристические методы основаны на подсознательном мышлении, не допускают алгоритмизации и характеризуются неосознанным (интуитивным) способом действий для достижения осознанных целей. Эвристические методы ещё называют методами инженерного (изобретательного) творчества.

Сейчас практически во всех преуспевающих фирмах, занятых созданием материальной и нематериальной (программы, методики) продукции, поиск новых идей и решений ведется с помощью тех или иных эвристических методов. А для современного инженера знание этих методов становится столь же необходимым, как и умение писать и читать. Даже журналисты, художники, бизнесмены и представители других профессий, кто остро нуждается в оригинальных идеях, активно используют такие методы.

Эвристические методы медленно, но постоянно совершенствуются и развиваются: от общих рекомендаций - к последовательности действий, далее - к алгоритмизованным методами, наконец, к созданиюискусственного интеллекта.

Краткое описание основных групп эвристических методов и наиболее характерных их представителей.

Метод итераций (последовательного приближения)

Процесс проектирования ведется в условиях информационного дефицита, который проявляется в следующем:

невозможность заранее точно указать условия работы проектируемого объекта, не зная его конкретного вида и устройства (исходные данные зависят от вида конечного решения);

выявление в процессе проектирования противоречивых исходных данных, то есть невозможность достижения технического решения при первоначально предложенных данных, оказавшихся взаимоисключающими;

появление в процессе проектирования необходимости учёта дополнительных условий и ограничений, которые ранее считались несущественными;

перераспределение по степени важности показателей качества, так как может выясниться, что показатель, ранее считавшийся второстепенным, очень важен (и наоборот).

Такая неопределенность устраняется посредством выполнения итерационных процедур :

первоначально задача решается при предположительных значениях исходных данных и ограниченном числе учитываемых факторов (первый цикл итераций, так называемое «первое приближение»);

далее возвращаемся в начало задачи и повторяем её решение, но уже с уточненными значениями исходных данных и перечнем факторов, найденными на предыдущем этапе (второй цикл итераций, «второе приближение»).

Число циклов итераций зависит от степени неопределенности начальной постановки задачи, её сложности, опыта и квалификации проектировщика, требуемой точности решения. В процессе приближений возможно не только уточнение, но и отказ от первоначальных предположений.

Если хотят подчеркнуть, что первоначальное решение задачи выполнялось в условиях полной или большой неопределенности, первый цикл итераций называют «нулевым приближением».

Хотя итерационный метод решения задачи часто связан с большими затратами времени и средств (и чем больше циклов итераций, тем больше затраты), ещё ни одна техническая система (а также законопроект, книга и т. д.) не была создана с первого раза. С другой стороны, желательно не увлекаться итерациями при выполнении дорогих или продолжительных проектных работ.

Итерационный подход широко применяется в конструировании. Например, при разработке эскиза узла сначала детали и их расположение показывают предположительно, а затем анализируют получившееся изображение и вносят в него необходимые изменения (согласовываются формы и расположение поверхностей деталей, проверяется нормальное функционирование, увязывается с требованиями стандартов).

В частном случае, когда нет никаких предположений по решению задачи, метод последовательных приближений можно сформулировать в виде совета:

Если не известно, что и как делать (нет идей, данных, определенности и т. п.), возьмите в качестве исходного решения любое известное (идею, схему, данные,…) или предположите какое-нибудь (но желательно разумное) решение задачи. Проанализировав выбранное решение на соответствие условиям задачи, станет видно, что вас в нём не устраивает и в каком направлении его надо улучшать.

Метод декомпозиции

Пример иерархической структуры (блок-схема)

Любую исследуемую систему можно рассматривать как сложную, состоящую из отдельных взаимосвязанных подсистем, которые, в свою очередь, также могут быть расчленены на части. Такой процесс расчленения системы называется декомпозицией . В качестве систем могут выступать не только материальные объекты, но и процессы, явления и понятия.

Метод декомпозиции позволяет разложить сложную задачу на ряд простых, но взаимосвязанных задач, представить её в виде иерархической структуры .

Упрощенное графическое представление иерархической структуры может быть изображено в виде ветвящейся блок-схемы, на подобие представленной на рисунке.

Здесь на нулевом уровне располагается исходная система С 1 , на следующих уровнях - её подсистемы (число уровней и количество подсистем, показанных на рисунке, выбрано произвольно). С целью получения более полного представления о системе и её связях в структуру включают надсистему и составляющие её части (системы нулевого уровня, например, вторая система С 2).

В процессе проектирования декомпозиция неразрывно связана с последующей композицией , то есть сборкой и увязкой отдельных частей (подсистем) в единую систему с проверкой на реализуемость в целом, совместимость (особенно подсистем, принадлежащих разным ветвям) и согласованность параметров (восходящее проектирование ). В процессе согласования может возникать потребность в новой, корректирующей декомпозиции.

Методы декомпозиции и последовательных приближений очень распространены, причем часто те, кто применяет их, даже не воспринимают их как методы. Очень эффективным является совместное использование этих методов.

Метод контрольных вопросов

Суть метода контрольных вопросов заключается в ответе на специально подобранные по содержанию и определенным образом расставленные наводящие вопросы.

Вдумчиво и, по возможности, полно отвечая на них, фиксируя основные положения ответов, например, на бумаге в виде ключевых слов, схем и эскизов, удается всесторонне представить решаемую задачу, отыскать новые пути её решения

Контрольные вопросы, с одной стороны, подобны консультанту, в ненавязчивой форме предлагающему попробовать те или иные подходы и пути решения проблемы, а с другой стороны, позволяют спокойно и не спеша поразмышлять в одиночестве. В составлении и группировании вопросов участвуют и психологи.

Метод контрольных вопросов широко применяется в процессе обучения как способ развития мышления. Этот метод служит основой для ведения диалога с компьютером при работе с интеллектуальными программными комплексами: здесь сочетается использование обширной информационной базы и иерархического представления множества вопросов.

Например, при анализе известного решения с целью его улучшения рекомендуют задавать себе следующие вопросы:

Почему так или такое? А как ещё иначе? (применительно к назначению узлов и деталей, их частей и форм, к последовательности выполнения действий и т. д.).

Зачем это нужно?

Что произойдет, если этого не будет?

И другие.

Применительно к проектированию варианты метода были предложены А.Осборном (1964 г., США) и Т.Эйлоартом (1969 г., США).

Метод синектики

На основе метода мозговой атаки разработан ряд других методов, среди которых наиболее известен метод синектики . Его существенной чертой является значительное задействование возможностей подсознания.

В условиях применения метода синектики избегают преждевременной четкой формулировки проблемы (творческой задачи), так как это нейтрализует дальнейший поиск решения. Обсуждение начинают не с самой задачи (проблемы), а с анализа некоторых общих признаков, которые как бы вводят в ситуацию постановки проблемы, неоднократно уточняя её смысл. Активно применяют прямую, личную, фантастическую и символическую аналогии.

Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ)

На основе анализа собственного опыта и многочисленных патентов Г. С. Альтшуллерпредложил метод под названием «алгоритм решения изобретательских задач» (АРИЗ, в котором слово «алгоритм» означало «четкая программа действий»). Позднее на его основе был создан более совершенный метод -Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ).

Этот метод предназначен для выявления истинных причин (противоречий), мешающих совершенствованию технической системы, и выбора эффективного средства для их преодоления.

ТРИЗ предлагает систему типовых приемов для устранения противоречий: в процессе решения задачи последовательно просматривают все приемы, пытаясь реализовать предлагаемый совет либо на его основе развить решение.

Применение данных приёмов во время сеанса мозговой атаки существенно повышает её эффективность.

Метод морфологического анализа предназначен для существенного расширения области поиска возможных решений задачи. Он основан на подборе возможных вариантов решений для отдельных частей задачи (так называемых морфологических признаков, характеризующих устройство) и последующем систематизированном получении их сочетаний (комбинировании).

Это - первый метод, специально созданный для решения эвристических задач. Употребляются также другие названия этого метода: метод морфологического ящика, метод морфологических карт. Морфологический анализ удобнее и нагляднее проводить с применением морфологических таблиц.

Формальное комбинирование вариантов создает впечатление автоматизма в применении метода. Однако его эвристическая природа весьма существенна и зависит от следующих субъективных факторов:

интуитивное выделение узлов и их признаков, состава вариантов. Отсутствие уверенности, что учтены все (и особенно, перспективные) узлы и варианты;

конкретное решение является следствием анализа просматриваемых комбинаций, возникновения продуктивных ассоциаций и образов.

Функционально-стоимостной анализ

Основное назначение функционально-стоимостного анализа (ФСА) - добиться максимального снижения стоимости изделия за счет совершенствования его конструкции и технологии изготовления. Широко применяется для повышения конкурентоспособности выпускаемых изделий

Известно, что потребитель изделия оплачивает (с его точки зрения) стоимость удовлетворения своих потребностей, то есть выполнения потребных функций. ФСА, основываясь на выявлении всех функций исследуемого объекта и соотнесении их с его элементами (деталями, узлами, сборочными единицами), нацелен на минимизацию полной стоимости выполнения этих функций. Для этого необходимо знать функциональную структуру объекта, стоимость отдельных функций и их значимость.

Метод применяется к уже известным объектам - подлежащим улучшению технической системе, технологическому процессу. Решение задачи методом ФСА конкретно и зависит от конкретных условий производства и применения исследуемого изделия.

Метод агрегатирования

Художественное конструирование, осно­ванное на том, что изделие рассмат­ривается как конструкция, расчленен­ная на самостоятельные узлы, сочета­ния которых могут выполнять одну функцию или, при перекомпоновке, менять рабочие функции. При этом трансформируется форма, изменяется объёмно-пространственная структура изделия. Агрегатные узлы " остаются прежними, изменяется лишь их поло­жение в пространстве. При агрегатировании внимание дизайнера сосредоточено прежде всего на отработке отдель­ных агрегатных узлов, хотя при этом он всегда должен иметь в виду весь набор необходимых структур целых изделий. Корпус изделия, например станка, рассматривается как функцио­нирующая форма. Внешняя форма и внутренняя структура (конструкция) оказываются фактически одним и тем же, функциональный и композиционный аспекты проектирования сливаются а единый функционально-композицион­ный подход.

Метод ассоциации

Способ формирования проектной идеи на основе сравнения далеких друг от друга явлений, предметов, качеств. Ассоциации различаются по сход­ству, контрасту и смежности. Ассоциа­тивные образы, взятые из фонда памя­ти человека или машины, связываются, сопоставляются между собой в соот­ветствии с задачами и логикой проек­тируемой системы. Целевая взаимо­связь образных характеристик различ­ных объектов делает метод ассоциации основой продуктивной проектно-преобразоваельной деятельности, приводит к от­крытию новых отношений в проекти­руемой модели.

Метод «вживания в роль»

Осмысление задач проектирования с учетом прогнозируемой реакции по­требителя. Строя модель потребителя, автор проекта должен понимать ре­зультат проектирования не просто как программирование духовно-практиче­ского поведения людей, но как двухсто­роннюю коммуникацию изделия или среды с равноправным адресатом художественного сообщения. Возможны два основных направ­ления взаимодействия потребителя с окружением и объектом дизайна, ко­торые формируются в процессе ак­тивного восприятия, выбора и оценки вещи. Первое обеспечивает челове­ку сохранение и, возможно, закрепле­ние уже выработанного им индивиду­ального стиля деятельности в пред­метной среде и ее эмоционального отражения. Второе обеспечивает из­менение в стиле индивидуальной деятельности в среде и формирова­ние новых типов эмоционального и эстетического к ней отношения. Как правило, второе направление опре­деляет более высокий созидательный порядок психологических структур деятельности, чем первое. Дизайнер, создавая новые вещи, закрепляет на новом уровне традици­онные или строит новые формы орга­низации предметной среды. Фактиче­ски происходят два процесса: преоб­разование мира дизайнером и изме­нение мира потребителем. Поэтому продуктивный диалог между дизайне­ром и потребителем происходит толь­ко при общности их направления.

Метод «мозговая атака» (от англ. brein storming)

Метод стимуляции активно­сти и продуктивности творческой дея­тельности за счет ее освобождения от ограничений, свойственных тривиаль­ным условиям и рутинным приемам работы. Как известно, в обычной ситуации стереотипы принятия решений, боязнь неудачи, страх показаться смешным тормозят возникновение всякого рода новаторских идей. Снятие «тормозя­щих факторов» при «мозговой атаке» - осуществ­ляется путем работы в группе (кол­лективе), каждый член которой выска­зывается на заданную тему и выдви­гает идеи, не оценивая их как истин­ные или ложные, какими бы «дикими» они ни казались, не подвергая их аналитическому разбору, побуждая друг друга к поиску разного рода ассоциаций, вариантов усовершен­ствования. Затем все высказанные идеи анализируются и из них выби­рают содержащие наиболее удачные решения. Быстрота - важнейший фактор «мозговой атаки», позволяющий в короткие сроки накопить массив предложений, доста­точный для рассмотрения в качестве основы для дальнейшего серьезного поиска. Непосредственным ценным выходом «атаки» являются не сами идеи, а категории, на которые они разбиваются при классификации боль­шого случайного множества. Методом «мозговой атаки» можно рассмат­ривать любую проблему, если она просто и ясно сформулирована. Этот метод можно использовать на лю­бом этапе проектирования - как в начале, когда проблема еще оконча­тельно не определена, так и позднее, когда уже выделены конкретные подпроблемы. Его можно также исполь­зовать для генерирования информации или формулирования вопросов анкеты.ирокое применение метод «М.а.» получил в 1950-е годы, пре­имущественно при решении задач технологии, планирования и прогнозирования.

Проективография

Метод проектно-графической деятельности «построения различных вещей» на базе компьютерной техники, развивающий существующие учения «о фигурах, пропорциях и отображениях» (в частности, начертательную геометрию).Проективография - наукоемкий инструмент для достижения целей гармонизации в формотворчестве, в работе дизайнера, архитектора, инженера. Проективография сообщает творческой работе некоторое новое качество научного мышления, которое дается только спе­циальными «проективными» методами преобразований в сочетании с при­влечением комбинаторного мышления на основе перебора и изучения всех возможных перестановок простран­ственных элементов. Переход из трех­мерного пространства в двухмерное, отображение на особым образом упорядоченном поле чертежа, даю­щее специфические метрические эф­фекты, является ключом расшифровки проектографических отображений, в «памяти» которых удерживаются мно­говариантные пространственные пла­стические решения формообразова­ния.

Метод структурного моделирования

Свободная (непредубежденная) компоновка первичных модульных элементов в разнообраз­ные по конфигурации и связям системы и структурные комплексы. Метод структурного моделирования используется при поисках и разработке гибких, открытых для развития систем, обладающих композицион­ной способностью «присоединяемости». Метод гармонично увязывает требова­ния унификации при индустриальном производстве с возможностью индиви­дуализации отдельных композиционных решений и является гибким средством организации разнообразных предмет­но-пространственных образований.

Метод сценарного моделирования

Литературно-графическая форма рас­крытия существа проектируемого объекта.Сценарий должен отражать буду­щее состояние системы, логическую последовательность ее формирования, развертывание шаг за шагом отдель­ных ситуаций (мизансцен). При этом в одних случаях значение имеет фактор времени и связь событий, составляю­щих интерес объекта; в других - качественное описание возможных вариантов обстановки и состояний среды; в третьих - параметры веро­ятной картины, полученной в результа­те прогнозирования, и т.д. Метод сценарного моделирования обычно применяется:

а) до построения «дерева целей» для вы­явления возможных будущих состояний системы, чтобы правильно и точно сформулировать отдельные цели и подцели;

б) при разработке плана и программы для демонстрации отдельных проектных шагов, с помощью которых достигаются цели;

в) для эффективного выполнения решения, включенного в программу.

Метод случайностей и ассоциаций

Сознательное использова­ние случайных находок, возникших при генерировании ассоциаций заданного объекта проектирования с различны­ми признаками произвольно выбран­ных объектов - «синонимов» - для последующей наработки новых проектно-творческих идей.

Творческий метод

Закономер­ности создания художественных обра­зов среды, структура организации про­фессионального мышления. В отличие от стиля воплощает закономерности построения самих архитектурных и средовых объектов и с этих позиций метод и стиль соотносятся как путь исканий и их итог. Творческий метод может быть авторским, принадлежать группе авто­ров, определенному времени, направ­лению и т.д.

Метод «синектики»

Проектная деятельность, сознательно использующая разного рода механизмы творчества, в основном различные типы аналогий, для целенаправленного ориентирования спонтанной активности мозга и нервной системы. Творческая активность в методе «синектики» вызывается внутренними причинами или пробуждениями, основанными на необходимости самодвижения и самовыражения мысли или идеи, и возникает без внешних воздействий, самопроизвольно.

Футурология (в дизайне)

Твор­ческий метод, ориентированный на прогноз и поисковое проектирование с изображением свойств будущих объектов на языке зрительных образов. Аналогом работ по футурологии является понятие теории изобретательства «идеальный конечный результат», при формулировании которого условно снимаются любые ограничения техни­ческого или экономического порядка, а вопрос, как достичь этого результата, решается позже. При этом чем на более отдаленное будущее ориенти­рована разработка, тем менее эф­фективными становятся строго логичес­кие методы работы, уступая место общекультурным соображениям и ин­туиции специалиста. Дизайнерская Ф. не только прог­нозирует реализуемые впоследствии формы и пути развития нашего предметно-пространственного окружения, но и необходима самому дизайну в качестве стимулятора и катализатора свежих проектных идей, так как отка­зываясь от проектирования «по прото­типам», провоцирует и совершенству­ет неординарность мышления, умение ставить проблемы и моделировать любые ситуации. Жанры и виды дизайнерской футурологии - проекты утопии и антиутопии, проекты-предостережения, гипотезы, альтерна­тивы, проекты-шутки и карикатуры как отдельных вещей и фрагментов среды, так и концепции жизнедеятельности. Предметом футурологических исследо­ваний может стать техническая воз­можность, свойства вещи, потребитель­ские требования, структурно-морфоло­гические характеристики, эксперимен­ты в области формы, стиля, образа. Богатейшие возможности метода, как в сфере дизайнерского прогноза, так и в сфере художественных воз­можностей визуализации проекта, по­родили подлинный бум этого направ­ления в 1960-1970-е годы (Футуродизайн, Бумажная архитектура).

«Штучный метод»

Дизайнер­ское проектирование отдельных вещей или их небольших комплексов с целью создания уникальных объектов, образ­цов или разработки новых процессов. Проектная концепция и художест­венный принцип деятельности дизай­нера в этом случае не всегда форму­лируются методически и не оформля­ются документально, однако это не означает, что их нет. Они явно или подспудно вынашиваются дизайнером фактически с момента получения за­каза и до формирования предложения, находя свое определенное вербаль­ное или визуальное выражение в тех­ническом задании, в предпроектном анализе, в эскизном предложении и других проектных материалах. «Штучный» объект дизайнер раз­рабатывает в одиночку или с неболь­шим коллективом единомышленников, который решает проблемы координации действий и организации работ в непосредственном общении его членов.

«Ликвидация тупиковых ситуаций»

Метод расширения об­ласти творческого поиска или выбора новых направлений решения проект­ной задачи в случае, если очевидная область не дала приемлемого резуль­тата. При «Ликвидация тупиковых ситуаций» проектировщик ори­ентируется на те участки простран­ства поиска, которые первоначально были исключены на основании оши­бочных или утративших силу предпо­ложений о приемлемости возможных решений. При этом предполагается: использовать приемы уменьшения пси­хологической инерции мышления и упорядочения перебора вариантов решения (например, метод контрольных «наводящих» вопросов); вести поиск новых взаимосвязей между частями имеющегося неудовлетворительного решения; переоценивать проектную ситуацию заменой слов, характеризую­щих затруднение, их синонимами; при­нимать условия, что проблема решена, и идти от последствий вновь к основ­ной структуре; использовать методы аналогий; использовать случайности как подсказку для решения творчес­кой задачи; делать «дикие», произволь­ные предложения; принимать правдо­подобное, но заведомо неправильное решение и предлагать специалистам раскритиковать его; принимать невозможное решение и анализировать его; предлагать за ограниченное вре­мя как можно больше решений (при «мозговой атаке») и т.д.

Коллективный поиск идей

Метод решения актуальных проблем путем использования совместной ра­боты группы специалистов; эффектив­ная форма изобретательства, рацио­нализаторства, проектирования. Коллективный поиск идей предполагает целенаправ­ленный, систематический сбор и обоб­щение сведений об основных аспек­тах проектной проблемы и поиск ее решения с учетом реальных требова­ний, изначально сформулированных в виде постановки проблемы, принци­пиального обзора важнейшей инфор­мации о ней, указания возможных на­правлений поиска и связанных с ними частных подзадачах. Формы коллективного поиска идей- проектный семинар, «мозговая атака» и др.

Комбинаторика

Метод формообразования в дизайне, основанный на применении закономерностей разновариантного изменения пространственных конструктивных, функциональных и графических структур объекта, а также на способах проектирования объектов дизайна из типизированных элементов. Специфика комбинаторики близка к природно­му формообразованию, дает возможность многократно и по разному ис­пользовать элементы дизайн-конструкций и имеет прямое отношение к унифицированному массовому производству. Благодаря комбинаторике мир окружающих нас форм не только бесконечно раз­нообразен, но и экономно устроен, т.к. многие из них есть производное от сочетаний одних и тех же элементов. Комбинаторика - это механизм, порождающий по определенным правилам богатство форм с заданными свойствами. Как сказал Л. Салливан: «Три элементарные формы, а именно столб, перекладина и арка... всего лишь три буквы, из которых разрослось Искусство Архитектуры - язык настолько великий и превосходный, что человек из поколе­ния в поколение выражает с его по­мощью меняющийся поток мыслей». Нынешнее время существенно обога­тило этот условный «алфавит», особен­но в дизайне, но «правила» самого языка (законы К.) - порядок измене­ния качества, количества и условий позиционирования исходных элементов (морфотипов) - сохранились.В дизайнерском творчестве комбинаторику можно условно разделить на два на­правления - функционально-со­держательное (собирающее из оди­накового набора разных деталей ин­дивидуальные приборы и изделия - мебельные гарнитуры, кухонные ком­байны и т.д.) и формально-образ­ное, использующее возможности К. для обогащения облика дизайн-объек­та за счет вариаций цвета, группиров­ки, орнаментации элементов целого, например, в графическом дизайне.

Метод «дельфы» (дельфийская техника)

Индивидуальное анкетирование мнений экспертов с целью выявления преобладающего суждения специалистов, исключающее прямые дебаты и позволяющее экспертам оценивать свои суждения с учетом ответов и доводов коллег. Метод «дельфы» реализует через обратные связи мнений системный подход к коллективному мышлению, «снимая» случайные влияния психологических факторов. Используется при сборе уникальных данных, затрагивающих профессиональные проблемы, при экспертизе, определении приоритетов и других действиях, требующих специальной квалификации.

Методы конструирования

Приведенные выше эвристические методы позволяют найти оригинальные или неожиданные идею, техническое решение, образ объекта. Однако на практике такое требуется примерно в 10 % решаемых задач, когда важны существенные прорыв в новое или отрыв от конкурентов. Чаще необходимо усовершенствовать уже известное решение. Это объясняется тем, что инженерное решение всегда должно увязываться с его практической реализуемостью, с возможностью «воплощения в металле», то есть быть, прежде всего, технологичным, экономичным и не требовать длительных по времени работ. А потому новое решение обычно получают путем постепенного внесения малых изменений в прежнюю, уже существующую конструкцию, используя разные методы и подходы, условно называемые методами конструирования .

К методам конструирования относятся методы на основе преемственности, унификации, агрегатирования, модификации, стандартизации, инверсии и другие. По своему характеру эти методы являются эвристическими.

Конструктивная преемственность - это постепенное совершенствование конструкциипутем введения в неё отдельных новых или дополнительных деталей, узлов, агрегатов взамен морально устаревших и неудовлетворяющих современным требованиям, либо с целью изменения прежних характеристик изделия. Метод основан на совершенствовании уже существующей конструкции. Он включает следующие этапы:

составление списка новых требований к конструкции и его анализ,

выявление в конструкции частей, препятствующих удовлетворению этих требований,

поиск путей по усовершенствованию данных частей или поиск вариантов для их замены.

Метод широко использует основные эвристические методы. Так, для поиска слабых мест в конструкции эффективно применять метод иерархической декомпозиции, расчленяя изделие на как можно более простые или элементарные части и отыскивая те, с которыми связана неудовлетворительная работа всего изделия. Чем элементарнее будет заменяемая часть, тем проще и быстрее будет создана более совершенная конструкция: меньше времени уйдет на разработку, не понадобится существенно переналаживать технологический процесс. При этом необходимо выполнять проверку на состыковку новой части с остальными частями изделия (по геометрическим размерам и формам сопрягаемых поверхностей, усилиям взаимодействия и передаваемой мощности и другим входным и выходным параметрам) и обращать внимание на то, чтобы согласование размеров, создание специальных условий и т. д. не усложняло технологию изготовления и сборки соседних взаимодействующих частей.

Метод стандартизации - создание конструкции и её последующее совершенствование на основе применения стандартныхдеталей и узлов, элементов со стандартнымипараметрами. Это позволяет, не смотря на сложность стандартных элементов, использовать уже разработаннуютехническую документациюи, возможно, покупные части (например, асинхронный электродвигатель, подшипник качения), применять типовые технологические операции и оборудование, упрощает обслуживание и ремонт.

Метод унификации - устранения излишнего многообразия посредством сокращения перечня допустимых элементов и решений, приведения их к однотипности, многократное применение в конструкции одних и тех же деталей, узлов, форм поверхностей. Унификацияпозволяет повысить серийность операций и выпуска изделий и, как следствие, удешевить производство, сократить время на его подготовку.

Метод базового агрегата - выпуск разнообразных изделий, объединенных наличием у них общей, базовой части (агрегата). Обычно таким агрегатом является наиболее сложная часть будущих изделий. Разработка базового агрегата ведется с таким учётом, чтобы, присоединяя к нему дополнительные части, можно было достаточно просто и быстро создавать изделия с измененными внешним видом, числом выполняемых функций, характеристиками. Метод базируется наунификацииформ и параметров состыковочных поверхностей, согласованности величин мощности и основных входных и выходных параметров.

Метод модификации - переделка изделия с целью его приспособления к новым требования, условиям работы, технологическому процессу (способу изготовления и сборки) без изменения в нём наиболее дорогих и ответственных частей. Часто основывается на замене материалов или изменении их механических или химических свойств, либо замене одних частей на другие.

Метод инверсии - создание новой конструкции на основе изменения функций, форм или положения частей существующего изделия. Например, пружину растяжения заменить пружиной сжатия, выпуклую поверхность сделать вогнутой.

Экспериментальные методы

Экспериментальные методы основаны на использовании реальных объектов и физических (химических, социальных и т. д.) моделей. Несмотря на сложность, только они позволяют получить наиболее достоверные и надежные исходные данные и результаты решений, служат основой для разработки других методов и моделей. Однако степень объективности результатов исследований зависит от грамотности постановки и проведения эксперимента и обработки его результатов.

Цели и виды экспериментальных методов

Экспериментальные исследования, в основном, ведутся с двумя целями:

определение закономерностей и характеристик, присущих исследуемому объекту (например, зависимость удлинения детали при её нагреве), и определение действительных значений его параметров(например, физико-механические свойства используемого материала, степень коррозиоустойчивости и т. п.). Эта деятельность связана сэкспериментальными исследованиями , поиском нового и неизвестного;

сбор данных, которые будут содержать достаточные сведения для подтверждения правильности гипотезили ранее принятых решений (определение фактических характеристик, их соответствие заданнымпоказателям качества, проверка технологических решений и т. д.). Такие работы связаны с проведениемиспытаний , то есть практической проверкой теорийи предположений. Испытания разработанного объекта обязательны для подтверждения возможности его запуска в производство. Порядок таких испытаний регламентируется ГОСТ 15.309-98 .

Экспериментальные данные получают посредством измерений , анализов , диагностирования , органолептических методов (вкус, запах и т. п.), фиксации событий (отказы, повреждения) и другими способами. Исследуемые характеристики изделий либо экспериментально оцениваются (задача - получение качественных или количественных оценок), либоконтролируются(задача - установление соответствия реальных характеристик требуемым). Характеристики могут замеряться в процессе работы или на нефункционирующем изделии, до либо после приложения воздействия.

Испытания проводятся в естественных или искусственно созданных (моделируемых) условиях, или же в условиях, обусловленных функционированием самого изделия (например, внутренний нагрев вследствие трения).

Испытывается единичное изделие или партия, подвергаемая сплошному или выборочному контролю. Объектом испытаний может быть макетилимодельизделия, но принимаемое тогда решение относится к этим объектам. В процессе испытаний некоторого изделия возможна замена части его элементов моделями или на моделях замеряются отдельные характеристики.

В зависимости от целей возможно проведение следующих видов испытаний :

определительные. Уточняют значения характеристикизделия;

контрольные. Уточнят качествоизделия;

сравнительные. Проводят в идентичных условиях для сравнения характеристик аналогичных или одинаковых объектов;

исследовательские. Изучают и уточняют свойства изделия. Этот вид испытаний может проводиться и на промежуточных этапах проектирования: исследуютсяпоказатели качества, выбирается наилучший режим эксплуатации или наилучшие характеристики (поисковые исследования), сравниваются проектные варианты изделия и его узлов, оцениваютсяпараметрыи видматематических моделей, выявляются существенно влияющие на показатели качества факторы.

В процессе нормальных испытаний информация об изделии собирается постепенно, в тот же интервал времени, который соответствует обычным условиям эксплуатации. Эту же информацию можно получить в более сжатые сроки в результате ускоренных испытаний. При ограниченности времени и материальных ресурсов проводят неполные, сокращенные испытания.

Необходимо учитывать, что при повторных испытаниях результаты в той или иной степени отклоняются от ранее полученных. Воспроизводимость результатов зависит от непостоянства характеристик испытываемых изделий и разброса их параметров, воспроизводимости самих испытаний, квалификации персонала.

В зависимости от степени соответствия реальным условиям испытания подразделяются на следующие:

лабораторные. Это - в основном исследовательские испытания. В лабораторных условиях изучается поведение отдельных узлов и деталей, макетов и образцов. Часть внешних параметров имитируется;

стендовые (заводские). На испытательном оборудовании (стендах ) в работе проверяется взаимодействие механизмов и отдельных узлов, выявляются дефекты, замеряются основные характеристики. Здесь исследуются экспериментальные образцы изделий, и часть внешних воздействий имитируется;

полигонные. Исследования опытных образцов изделий ведется в условиях, наиболее приближенных к реальным, в две стадии: обкатка и опробование. Проверяется надежность изделия и соответствие его характеристик. Время обкатки устанавливается нормативными документами. Изделие последовательно обкатывается на холостом ходу и под частичной нагрузкой. Опробование изделия с целью уточнения фактических характеристик проводится в рабочих условиях, под полной нагрузкой и предусматривает различные варианты условий и режимов работы;

натурные. Испытывается реальное изделие в условиях его прямого назначения с непосредственной оценкой реальных свойств;

эксплуатационные. Проводятся в условиях непосредственной эксплуатации серийно (промышленно) выпускаемого изделия. Собираются статистические данныеоб изделии, выявляются скрытые дефекты и дополнительные возможности.

В зависимости от ответственности назначения изделия экспериментальные исследования могут включать часть или полную систему этих испытаний. На выбор влияет и то, что затраты на проведение испытаний, при переходе от лабораторных к эксплуатационным, резко возрастают.

Порядок испытаний зависит от вида исследуемого объекта и регламентируется соответствующими стандартамии разработанными на их основе рекомендациями. Обычно для проведения испытаний привлекаются специализированные организации или подразделения предприятий. Результаты работ принимаются (официально подтверждаются) приемно-сдаточными (ведомственной или государственной) комиссиями.

Планирование эксперимента

При проведении экспериментальных исследований всегда стремятся к сокращению их сроков и затрат, а также - к получению результатов с требуемой точностью. Для этих целей разработаны и широко применяют (а в некоторых случаях - в обязательном порядке) математические методы планирования эксперимента и обработки экспериментальных данных.

Методы планирования эксперимента позволяют минимизировать число необходимых испытаний, установить рациональный порядок и условия проведения исследований в зависимости от их вида и требуемой точности результатов. Если же по каким-либо причинам число испытаний уже ограничено, то методы дают оценку точности, с которой в этом случае будут получены результаты. Методы учитывают случайный характер рассеяния свойств испытываемых объектов и характеристик используемого оборудования. Они базируются на методах теории вероятностииматематической статистики.

Машинный эксперимент

Использование математических моделей дает возможность заменить реальный эксперимент работой с компьютерными моделями. Такое исследование часто называют машинным экспериментом (это исторически сложившийся термин, появление которого связано с первоначальным названием компьютеров - ЭВМ).

Работа с компьютерной моделью, когда для пользователя скрыты зависимости между параметрами, исходные принципы и допущения, подобна исследованию «черного ящика», а поиск взаимосвязей между входными и выходными параметрами - подобно экспериментированию с физическими моделями. Эта схожесть позволяет применять к работе с программными комплексами методы экспериментальных исследований. Также следует учитывать:

получаемые в процессе машинного эксперимента результаты могут иметь случайный разброс, вызываемый не только неустойчивой работой вычислительной системы, но и особенностями используемых численных методов(необходимость получения высокоточных результатов с числом значащих цифр, сопоставимых с длиной числа, обрабатываемого процессором, расчет вблизи особых точек при малой разности больших чисел, делении на число, близкое к нулю, и т. п.). Убедиться в достоверности результатов расчетов можно проверкой их на соответствие физическому смыслу или повторением расчетов на более совершенном компьютере;

результаты расчета, не смотря на свою однозначность, в действительности имеют разброс, обусловленный случайным характером физических величин, используемых в качестве исходных данных. Так, если вводимые параметрыизвестны с погрешностью 5…10 % (например, модуль упругости материала, его предел прочности), то и погрешность результатов расчетов (например, величин прогибов, напряжения) будет не меньше и не зависит от увеличения количества цифр в ответе.

Мысленный эксперимент

Мысленный эксперимент- это одна из разновидностей экспериментальных исследований, но проводимых мысленно, в воображении.

Задача мысленного эксперимента - быстрое получение качественного или оценочного результата. Достоверность получаемых таким образом суждений, прежде всего, зависит от практического опыта исследователя, его фантазии и аналитических способностей мышления.

Формализованные методы

Знание законов, лежащих в основе работы исследуемых объектов и процессов, позволяет использовать формализованные методы . Такие методы строятся на основе четких указаний посредством языка схем, математических формул, формально-логических отношений и алгоритмов. Главной их чертой является независимость получаемых результатов от индивидуальных черт человека.

Область применения формализованных методов постоянно расширяется. Это объясняется их следующими достоинствами:

позволяют построить прогноз поведения изделия или процесса во времени и в пространстве;

позволяют сравнительно быстро и дешево найти (рассчитать) несколько вариантов решений, что служит основой для выборалучшего и, следовательно, конкурентоспособного изделия;

позволяют определять параметрына ранних этапах проектных работ, когда вид создаваемых объектов или ихмакетовещё точно не известен;

позволяют поставить «чистый» эксперимент, то есть исследовать свойства и характеристики в зависимости от заданных параметров при отсутствии влияния (постоянстве) других параметров;

обеспечивают психологический комфорт и снимают неопределенность и неуверенность в процессе решения задачи благодаря опыту и знаниям специалистов, создавших эти расчетные зависимости;

позволяют автоматизировать деятельность.

С другой стороны, «объективность» формализованных методов ещё не гарантирует их полного соответствия действительности, поскольку точностьрезультатов зависит от следующих факторов:

присутствие в расчетах ошибок как субъективных, допускаемых человеком, так и являющихся результатом некачественной работы или сбоя в работе используемого устройства (компьютеров, измерительно-управляющих систем и т. п.);

правильность выбора моделии метода, ихадекватностьи точность (субъективный фактор);

полнота и достоверность исходной информации, корректность (точность) формулировок решаемой задачи.

Стоит отметить, что при решении задачи возможны два случая:

известна точность, с которой должны быть получены результаты. Тогда точность исходных данных и используемых методов должна соответствовать данной точности и обеспечить её получение;

известна точность исходных данных и используемого метода. Тогда точность результатов зависит от их точности и, как правило, не превысит наименьшей из их значений.

При расчете по инженерным зависимостям следует помнить о правиле «n%»:

Исходным данным всегда присуща погрешность. Перед проведением исследований или расчетов необходимо оценить максимальную погрешность данных, допустим, составляющую n% . Результаты расчетов и экспериментальных исследований, лежащие в пределах ±n% считаются тождественными.

В машиностроении по умолчанию принимают погрешность, равной 5 %. Снижение погрешности является сложной задачей и требует, в первую очередь, повышения точности знания свойств материалов (технологическая задача) и характеристик внешних нагрузок (экспериментальная задача).

Интересен случай, рассказанный ученым и кораблестроителем академиком А. Н. Крыловым(1863-1945) .

Сотрудник его института выполнил расчеты одной из конструкций корабля с очень высокой точностью. А. Н. Крылов, узнав об этом, вместо благодарности велел посадить его, в назидание другим, на несколько суток под домашний арест за бесцельное разбазаривание рабочего времени на нахождение ничего не значащих цифр.

Методы поиска вариантов решений

Поиск различных вариантов решений является одной из важнейших задач проектирования: чем больше вариантов, тем лучше окончательное решение.

Чаще всего конкретные варианты находят для различных допустимых сочетаний параметров (аналитически или численно). Универсальным является метод полного перебора . Его применяют в ответственных случаях и если позволяют возможности (наличие вычислительной техники, достаточность времени).

При ограниченности ресурсов пользуются упрощенными методами (алгоритмами поиска):

методы частичного (выборочного) перебора. Они подразделяются на детерминированные методы (выбор параметров в соответствии с некоторым законом) и методы случайного поиска . Важное требование - равномерное покрытие точками области допустимых параметров. В последнее время получили распространение псевдослучайные распределения, обладающие хорошей равномерностью распределения и удобством хранения в памяти компьютеров результатов вычислений;

методы сокращения области поиска посредством анализа дополнительной информации, получаемой при расчете предыдущих вариантов - анализ тенденций изменения результатов (градиентные методы), выявление областей нерекомендуемых значений параметров.

Анализ решений, найденных методом случайного или псевдослучайного поиска, позволяет получить дополнительную информацию: можно установить степень взаимосвязанности параметров, рассчитав коэффициент корреляции. Если для рассматриваемой пары, например,показателей качестваэтот коэффициент близок к единице, то показатели линейно зависимы и отображают разными словами одно и то же качество. В таком случае один из них можно отбросить, не потеряв общности задачи, но понизив её размерность.

Формализованные методы - наиболее исследованная область человеческой деятельности. Они - основа создаваемых программ и автоматизации процедур.

Методы автоматизации процедур проектирования

До 60-х годов орудиями труда проектировщика служили кульман, циркуль, логарифмическая линейка и другие подобные устройства. Проектирование велось по аналогии с использованием оригинальных решений, а ускорение работ достигалось преемственностью технических решений. Нередко возникали ситуации, когда период проектирования сложных систем был соизмерим со временем их морального износа. Длительность сроков вызывалась, прежде всего, большим объёмом рутинных, ручных работ. Наличие в проектной деятельности формализованных процедур и широкое распространение компьютеров послужили основойавтоматизациивсех этаповжизненного циклаизделия:

автоматизированная система планирования (АСП),

автоматизированная система научных исследований (АСНИ),

система автоматизированного проектирования (САПР),

автоматизированный экспериментальный комплекс (АЭК),

гибкое автоматизированное производство (ГАП) и автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП),

автоматизированная система управления эксплуатацией (АСУ).

Основная тенденция развития таких систем идет в направлении создания автоматических систем , которые способны выполнять заданные функции или процедуры без участия человека. Роль человека заключается в подготовке исходных данных, выборе алгоритма (метода решения) и анализе полученных результатов.

Однако присутствие в решаемых задачах эвристических или сложно программируемых процедур объясняет широкое распространение автоматизированных систем . Здесь человек участвует в процессе решения, например, управляя им, вводя промежуточные данные. На степень автоматизации влияют продолжительность времени, отведенного на решение задачи, и её вид - типовая или нет. Так, при срочном поиске решения нестандартной задачи следует полагаться только на самого себя.

Применение автоматизированных и автоматических процедур порождает и новую проблему - достоверность получаемых результатов: ошибки могут быть следствием как неверных действий при вводе данных и управлении работой компьютера, так и сбоя в его работе. Для повышения чувства уверенности следует пользоваться правилом:

Ещё до решения любой по сложности задачи инженер должен представлять порядок получаемого результата или возможный вид решения.

Методы оптимального проектирования

Задачи оптимального проектирования

В процессе решения практической задачи всегда возникает несколько вариантов. Это происходит и случайно, в силу неоднозначности и неопределенности процесса решения, и целенаправленно, как основа поиска лучшего результата. Но задача, и особенно техническая, считается решенной тогда, когда будет сделан выбор окончательного, единственного варианта. Только такая деятельность считается продуктивной .

В проектировании предпочтителен критериальный выбор : разработчик должен уметь аргументировано доказать верность и эффективность полученных результатов.

Ранее критериальный подход больше базировался на опыте (экспертных оценках), на обосновывающих верность рассуждениях и умозаключениях (логических построениях). В последнее время к выводам стали предъявлять требования четкости и точности. Появились новые науки,теория исследования операций и теория принятия решений , изучающие проблемы, связанные с принятием решений и поиском наилучших решений. А задачи, решаемые на основе их принципов, стали называть задачами оптимальногопроектирования .

Любое изделие характеризуется огромным числом параметров, и для упрощения его описания (моделирования) выделяют принцип действия, структурный и параметрический уровни. Аналогично, задачи оптимального проектирования подразделяют на задачи выбора оптимального принципа действия, структурной и параметрическойоптимизации .

Разработка методов выбора оптимального принципа действия пока относится к задачам перспективных исследований: ещё не известны такие методы и критерии, которые бы позволили на основе ограниченного числа данных, которое соответствует этому уровню описания системы, дать полную и точную картину её поведения в реальных условиях и позволить выбрать предпочтительный принцип действия.

Решение задачи структурной оптимизации более реально. В её основе могут лежать представление структуры в виде графов, сравнительный анализ структур на основе ограниченного числа структурных параметров, объединение исследуемых структур в одну, обобщенную. Но неполнота учитываемых данных не позволяет однозначно указать на лучший вариант, и выводы носят рекомендательно-оценочный характер.

Наиболее разработаны математические методы параметрической оптимизации , то есть методы поиска оптимальных параметров объекта в рамках заданных его принципа действия и структуры.

При этом поведение параметров реального изделия может подчиняться достаточно сложному закону: часть параметров может принимать только целые (например, число зубьев зубчатых колёс) или дискретные (например, стандартные величины шага резьбы) значения, связи между параметрами могут выражаться нелинейными или кусочно-нелинейными зависимостями, оптимизируемые функции иметь один или несколько экстремумов или вид террасных функций (например, при плавном увеличении нагрузки, растягивающей болт, величина его диаметра, определяемая из условия прочности, возрастает скачками, от одного стандартного значения к другому) и т. п.

Основой для поиска оптимального вариантаслужаткритерии оптимизации (критерии эффективности системы).

Стоит помнить, что назначение количества и типов критериев осуществляется человеком, что придает им эвристический характер. С другой стороны, критерии определяют конечный вид проектируемой системы, и, следовательно, случайный их выбор ведет к случайным и неэффективным результатам (хотя эти результаты могут быть получены на основе многократно проверенных и общепринятых методик).

Распространен принцип сведения решения задачи оптимального проектирования системы к оптимизации её подсистем. Однако наличие нелинейных связей между подсистемами не гарантирует оптимальности всей системы.

Методы принятия решений

Перечислим основные методы принятия решений в задачах параметрической оптимизации, применяемые в процессе проектирования.

Однокритериальные задачи

Поиск решений в однокритериальных задачах (задачах скалярной оптимизации ) зависит от вида математической модели и описывающих её выражений. Это могут быть следующие задачи оптимизации:

поиска экстремума алгебраической функции-зависимости критерия от параметров системы К = ƒ(х) . Для задачи с плавным изменением функции экстремум находится дифференцированием. Решение - конкретное численное значение;

вариационного исчисления, если критерий описывается функционалом, то есть интегралом от выражения, зависящего от параметров, их функции и производных. Решение имеет вид функциональной зависимости (аналитического уравнения), например, уравнения формы поверхности равнопрочного вала, закона нагружения;

линейного программирования, когда критерий и условия, накладываемые на решение задачи, являются линейными функциями параметров (равенства или неравенства). Решение - численное значение;

нелинейного программирования;

поиска вариантов решений методами полного или частичного перебора.

Задачи многокритериальной оптимизации

В задачах многокритериальной оптимизации в большинстве случаев абсолютно лучшее решение выбрать невозможно, так как при переходе от одного варианта к другому часто значения одних критериев улучшаются, а значения других ухудшаются. Состав таких критериев называется противоречивым , и окончательно выбранное решение всегда будет компромиссным .

Компромисс разрешается введением тех или иных дополнительных ограничений или субъективных предположений. Поэтому невозможно говорить об объективном единственном решении такой задачи.

В задачах многокритериальной оптимизации поиск решений возможен рядом способов.

Выделение области компромиссов и отбрасывание заведомо неудовлетворительных решений (оптимизация по Парето).

Множество допустимых решений разделяется на множество худших и множество нехудших решений. Худшим считается такое решение, если можно найти другое решение, значения критериев у которого не хуже (такие же) или лучше, чем у рассматриваемого. Решение, для которого из множества допустимых решений нельзя найти ни одного лучшего по всем критериям, называется нехудшим.

Множество нехудших решений ещё называют неулучшаемым : замена одного решения из этого множества на другое ведет к улучшению одних критериев и обязательному ухудшению других.

Математический алгоритм выбора нехудших решений основан на использовании бинарных отношений предпочтения теории принятия решений. Смысл бинарных отношений заключается в последовательном попарном сравнении элементов в соответствии с установленным правилом предпочтения. Обычно для поиска множества нехудших решений используют отношения предпочтения Слейтера или Парето, последние - чаще.

Область Парето - это область компромиссов: все решения здесь равнозначны, а окончательный выбор решения связан с введением дополнительного условия, часто - субъективного характера. Поиск решений, оптимальных по Парето , позволяет объективно сократить область возможного выбора, причем наибольшее усечение области допустимых решений достигается при назначении двух критериев. При увеличении числа критериев эффективность этого метода падает. Целесообразен одновременный учёт 2…5 критериев.

Замена критериев ограничениями и последующий поиск решений в области, задаваемой этими и ранее заданными ограничениями. Вводя те или иные ограничения, будем получать одно из нехудших решений из области Парето.

Например, задачу минимизации массы и потерь энергии изделия можно свести к задаче проектирования изделия, у которого потери не превысят, допустим, 5 % , а масса - 10 кг. Если в полученной области будет находиться несколько решений, то ограничения можно ужесточить (скажем, ограничить предельную массу 6 кг). Если же решений нет, то ограничения смягчают.

Сложность такой задачи - в удачной её постановке, то есть в быстром усечении области до одного решения при минимальном влиянии субъективных факторов, связанном с выбором ограничений.

Сведение задачи к однокритериальной и последующее её решение методами скалярной оптимизации.

Такое сведение осуществляется на основе введения дополнительных предположений о взаимосвязи и взаимозависимости учитываемых в задаче критериев. Выбор конкретного способа сведения зависит от многих обстоятельств, таких как квалификация специалистов, объём и достоверность имеющейся в их распоряжении информации, срочность решения, степень ответственности за получаемый результат. При этом следует учитывать, что характер решения меняется и со временем (то, что выгодно сегодня, может быть разорительным завтра).

Сведение задачи к однокритериальной проводится посредством выбора одного критерия из нескольких, введения общей единицы измерения для всех критериев, свертки нескольких критериев в один и другими методами.

Выбор из рассматриваемого перечня критериев одного , главного, который отражает наиболее существенные свойства исследуемого объекта. Выбор основывается на опыте разработчика или на мнении экспертов. С оставшимися критериями поступают следующими способами:

заменяют их ограничениями, которые при необходимости ужесточают или смягчают;

ранжируют критерии, то есть упорядочено располагают по степени важности характеризуемых свойств. Далее выбирают решение при главном критерии, вводя пороговые ограничения на остальные или же вообще их не учитывая. Если решений оказывается несколько, то лучшее из них выбирают на основе второго по важности критерия из ранжированного ряда, и т. д.

Введение общей единицы измерения критериев . В качестве такой меры часто выбирают стоимость достижения того или иного уровня качества, будь то снижение массы и потерь энергии, современный дизайн и т. д. То есть для каждого варианта изделия, характеризуемого своим уровнем качества, подсчитывают (или оценивают), с одной стороны, расходы на производство, эксплуатацию и утилизацию, а с другой стороны - доходы от использования. По величине экономической эффективности (разности доходов и расходов) делают вывод о предпочтительности вариантов.

Свёртка векторного критерия , то есть замена рассматриваемых критериев одним новым, называемым функцией полезности или целевой функцией . Выбор целевой функции - сложная задача:

нужно числено оценить, а не только ранжировать каждый критерий;

нужно объединить критерии, которые имеют, как правило, разную размерность (например, рубли, килограммы, проценты и т. д.);

нужно объединить критерии, величины и диапазоны изменения которых могут существенно разниться (например, потери измеряются сотыми долями, что несравнимо меньше величины, допустим, массы, измеряемой десятками и сотнями килограммов);

сложно, а иногда и невозможно найти численную меру критерия, например, таких как степень красоты, удобство работы;

величины разных критериев могут определяться с различной достоверностью. Так, например, если масса изделия оценивается достаточно точно, то надежность задается заметно грубее.

Грамотное выполнение свертки с получением максимально достоверного результата достигается тщательным проведением предварительных исследований, привлечением знаний и опыта специалистов-экспертов.

В качестве целевой функции ƒ часто используют:

аддитивную функцию, то есть функцию, подсчитываемую для каждого варианта (j=1,…, n ) решения как сумму отдельных критериев К (i=1,…, m ) с

Эвристический метод	Применение в предпроектное исследование
Метод вживания	Вживание в состояние заказчика
Метод смыслового видения	Эргономические функции, цветовые решения
Метод образного видения	Предпроектное исследование
Метод символического видения	Пиктограммы, фор – эскиз
Метод эвристических вопросов	Анкетирование, определение четких требований
Метод эвристического наблюдения	Изучение аналогов, создание иллюстраций, наблюдение за компанией
Метод эвристического исследования	Весь проектный процесс
Метод гипотез	Диагностика при решении технического задания

1 Основные группы методов

2 Эвристические методы

• 2.1 Метод итераций (последовательного приближения)

  2.2 Метод декомпозиции

  2.3 Метод контрольных вопросов

  2.4 Метод мозговой атаки (штурма)

  • 2.4.1 Метод синектики

2.5 Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ)

2.6 Метод морфологического анализа

2.7 Функционально-стоимостной анализ

2.8 Методы конструирования

3 Экспериментальные методы

• 3.1 Цели и виды экспериментальных методов

  3.2 Планирование эксперимента

  3.3 Машинный эксперимент

  3.4 Мысленный эксперимент

4 Формализованные методы

• 4.1 Методы поиска вариантов решений

  4.2 Методы автоматизации процедур проектирования