CC BY
26Раков Д.Л.
к.т.н., с.н.с. Института машиноведения РАН
Печейкина М.А.
старший преподаватель, МЭИ НИУ
АНАЛИЗ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА БАЗЕ
МОРФОЛОГИЧЕСКОГО ПОДХОДА
Ключевые слова: инновационные технологии, анализ, прогнозирование, морфологический подход, комбинаторика.
Потребность в создании инновационных технологий вызывает интерес разработчиков к различным методам поддержки инновационных процессов - CAI (Computer Aided Innovation). Современный период развития техники характеризуется высокой конкуренцией создаваемых инновационных технологических систем (ТС), их быстрым моральным старением, а также необходимостью динамично реагировать на изменяющиеся условия внешней среды, которые обусловлены в первую очередь влиянием рыночных условий и экономической ситуацией. В связи с этим особое значение приобретает решение задачи генерации технологических решений (ТР), воплощающих новейшие научно-технические достижения и открытия, имеющие высокие технико-экономические показатели. Это предопределило необходимость использования системного анализа и синтеза при их проектировании.
Проектирование ТС можно рассматривать как решение двух основных задач: задачи выбора структуры, или структурного синтеза, и задачи выбора параметров данной структуры, или синтеза параметров (параметрическая оптимизация). В этих терминах можно рассматривать проектирование практически любого объекта на любом этапе его создания [1]. Методы решения этих задач и их сложность существенно различаются. Задачи параметрического синтеза, как правило, сводятся к поиску решений, удовлетворяющих метрическим критериям, что делает их формально разрешимыми. Совершенно иной является задача структурного синтеза, которая не может быть в общем случае отнесена к классу формально разрешимых задач. Результатом структурного синтеза является выбор рациональной структуры объекта. При формировании такого описания приходится иметь дело с неопределенными структурными связями, неметрическими признаками элементов структуры, качественными критериями. Именно решение задачи структурного синтеза и составляет главное содержание творческой деятельности инженера. Синтез структуры, с различной степенью детализации, может быть осуществлен на различных этапах процесса проектирования. Однако наибольший эффект может быть получен на ранней стадии процесса проектирования - этапе технического предложения. Характерной особенностью этого этапа является ограниченность информации о свойствах будущей системы, что заставляет, в первую очередь, обращаться к структуре системы и содержащейся в ней информации. На рис. 1 дана качественная картина, показывающая как по мере увязки и детальной проработки проекта от задач проектного поиска 1 и этапа эскизного проектирования 2 к периоду рабочего проектирования 3, изготовления 4 и отработки 5 увеличиваются затраты и уменьшается возможность коррекции первоначальных проектных решений [2].
Приведенная зависимость подтверждает важность обстоятельного и детального начального поиска на этапе технического предложения, составляющего всего несколько процентов от общей стоимости проекта. Целесообразно максимально обогатить информацией начальный момент проекта, пока не приняты окончательные решения по его реализации и есть возможность просмотреть, а также отбросить конкурирующие варианты.
Техническое предложение разрабатывается в соответствии с техническим заданием, с целью технического и технико-экономического обоснования целесообразности разработки изделия, на основании анализа различных вариантов возможных решений изделий, сравнительной оценки решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующих изделий, а также с целью выявления дополнительных или уточненных требований к изделию (технологических характеристик, показателей качества и др.), которые не могли быть указаны в техническом задании. Это целесообразно сделать на основе предварительной конструкторской проработки и анализа различных вариантов изделия. В техническое предложение входит также сравнительная оценка рассматриваемых вариантов ТС. Сравнение проводится по показателям качества ТС, например, надежности, экономическим, эстетическим, эргономическим. Сопоставление вариантов может проводиться также по показателям технологичности (ориентировочной удельной трудоемкости изготовления, ориентировочной удельной материалоемкости и др.), стандартизации и унификации. При этом учитываются конструктивные и эксплуатационные особенности разрабатываемой и существующих ТС, тенденции и перспективы развития отечественной и зарубежной техники в данной области [3]. В связи с этим появилась необходимость разработки программного обеспечения для поддержки инновационных процессов. Данное программное обеспечение было выделено в группу Computer Aided Innovation (CAI) - автоматизация инновационных процессов.
5 - Испытания 4 - Изготовление 3 - Рабочее проектирование 2 - Эскизное проектирование 1 - Проектный поиск
(3)
(2) ■= 1 (4)
(1) 1-1 Д(5)
Рисунок 1.
Зависимости стоимости проекта, влияние затрат и неопределенность информации
в ходе реализации проекта
Все множество методов постановки и решения задач синтеза инноваций можно разбить на два класса: интуитивные (трансформационные) и дискурсивные (алгоритмические, морфологические). Интуитивные (трансформационные) подходы базируются на использовании творческих возможностей разработчиков. Однако в процессе синтеза могут возникать неожиданные обстоятельства, обусловленные некоторыми характерными для деятельности человека особенностями. Дело в том, что разработчики имеют определенное пристрастие к своего рода регулярным подходам, представленным упорядоченными, хорошо просматриваемыми и понятными для них действиям. В то же время оригинальные пути решения обычно не относят к «регулярным» методам. Регулярность проявляется или в придании структурам наглядных «правильных» черт - симметричности, иерархичности, повторяемости и периодичности, или в получении самой структуры по определенной аналогии. В конечном итоге это может привести к выработке шаблона, что само по себе может повлиять на качество результатов структурного синтеза. Многие исследователи обращают внимание на некоторые опасности в использовании чисто человеческих подходов к решению структурных задач. Так, в [4] отмечается, что «первоначальный структурный контур является критическим для успешного проектирования. Первоначальная форма или общая структура проектируемого объекта оказывает влияние (зачастую неправомерное) на конечную форму объекта. Особенность принятия решений человеком такова, что как только появляется первоначальная структура (даже, если она безнадежно ошибочна), наиболее вероятно, что именно ей будут следовать в качестве модели дальнейшего развития». Полная автоматизация трансформационных методов принципиально невозможна.
Дискурсивные методы лишены данных недостатков. К дискурсивным методам относятся морфологические, которые базируются на комбинаторном подходе. Процедура морфологического анализа позволяет целенаправленно, планомерно закладывать в морфологические множества огромное число технологических решений, а на стадии синтеза генерировать морфологическое множество решений - описание потенциально возможных решений данной задачи [5, 6, 7].
Морфологические методы по частоте использования занимают первое место среди дискурсивных подходов. Так, согласно статистике собранной немецкими исследователями, количество всех предприятий использующих морфологию составляет более 40%, при этом их регулярно используют более 20% [8] (рис. 2). Общество немецких инженеров разработало два свода правил для инженеров УШ 2221 «Методы создания и конструирования систем и продуктов» и УШ 2222 «Методы конструирования: методическое развитие технических принципов», в которых рекомендуется использование морфологических подходов для поиска новых технических решений [9, 10].
К недостаткам морфологических подходов относят сложность выбора оптимальных из всех сгенерированных вариантов ТР. Мощность морфологического множества может достигать сотен тысяч и более возможных вариантов.
Для устранения недостатков морфологических методов был разработан прогрессивный морфологический подход, опирающийся на многокритериальный, кластерный анализ и теорию множеств.
Рисунок 2.
Основные методы поиска новых ТР и частота их использования [9]
Предложенный подход реализуется следующим образом [11, 12]:
В исследуемой ТС выделяются признаки (функциональные или конструктивные). В зависимости от вида задачи из множества основных признаков экспертами выбираются существенные. Для каждого признака формируют альтернативы, т.е. возможные варианты его исполнения или реализации. После декомпозиции и анализа исследуемых систем формируется морфологическая таблица (ММ) (рис. 3). Все варианты ТР из матрицы образуют морфологическое множество решений (ММР).
Альтернативы Р1 Р2 Р3
Признаки
Р. р/ р,2 р,3 р*
р2 р22 р*
Рз Рз2 ... Рз*
р„ р: Р2 Р3 р* и
Рисунок 3. Морфологическая матрица
ММР содержит как уже известные варианты ТР, так и множество новых (неизвестных) ТР. Также в ММР содержатся нереализуемые технические решения (рис. 4).
Рисунок 4.
Морфологическое множество решений
В ММ заносится множество опорных ТР (известных решений - из описаний патентов, литературы и технической документации). Для уменьшения размерности множества возможных решений генерируется матрица несовместимых сочетаний альтернатив, что позволяет построить допустимое множество решений. Каждый вариант, содержащийся в ММ, получает оценку в зависимости от критерия и балльной оценки элементов признаков. Затем осуществляется генерация вариантов, их оценка и первоначальный отбор (рис. 5). Варианты анализируются на меру сходства, определяемую из меры расстояния Хэмминга.
Рисунок 5.
Соотношение между морфологическим множеством вариантов, множеством сгенерированных вариантов и множеством отобранных вариантов (1 - морфологическое множество ТР, 2 - множество
сгенерированных ТР, 3 - множество отобранных ТР)
Область исследования сужают к нескольким кластерам, которые в дальнейшем исследуются. Для повышения степени информативности при выборе генерируются конвергентные варианты, т. е. варианты, имеющие максимальную оценку по каждому из критериев, и «лучший» или «идеальный» вариант - решение, имеющее максимальную оценку. Для сопоставления различных вариантов строится морфологическое пространство решений, в котором положение системы характеризует свойства выбранных вариантов (рис. 6).
Рисунок 6.
Расположение кластеров в морфологическом поле решений на примере анализа и оценки технологий и оборудования при изготовлении заготовок длинномерных полых валов газотурбинных двигателей
(экранная форма)
Сопоставляя варианты, определяют наилучшие, из которых составляется итоговая таблица, где после всех выборок остается набор приемлемых решений. ТР, помимо состава и функций, описывают также связи (эффективные, энергетические и т. д.). Для их установления в созданных решениях использована процедура переноса из расположенных рядом (по классификационному полю, по мере сходства или по альтернативам) систем соответствующих структур. На выходе создаются структурные схемы («белые ящики»), состоящие из моделей состава и структуры.
Применение прогрессивного морфологического подхода
Предложенный подход был использован для синтеза инновационных технических и технологических систем в машиностроении, аэрокосмической и ряде других областей [13, 14] (рис. 7).
В машиностроении подход применялся для анализа и оценки технологий и оборудования при изготовлении заготовок длинномерных полых валов газотурбинных двигателей из жаропрочных никелевых и титановых сплавов (рис. 6) [15] , для анализа и синтеза технологий микродугового оксидирования получения керамических покрытий на вентильных металлах и сплавах (рис. 8) [16, 17].
Рисунок 7.
Некоторые области применения разработанного подхода
Выводы
В заключении можно сделать выводы о том, что использование прогрессивного морфологического подхода позволяет повысить вероятность создания инновационных ТС с высокими качественными показателями и одновременно снизить риски технологического характера. К достоинствам метода следует отнести и его способность давать ценные, по отношению исходной цели поиска, результаты.
• Подход может служить удобным средством упорядочения информации, относящейся к исследуемой области знания, средством многоаспектной организации информационных массивов в информационно-поисковых системах для поиска и сравнения с существующими ТР.
• Подход позволяет выявить множество потенциальных технологических решений, которые раннее не рассматривались и которые может быть использованы для улучшения существующих технологий.
I Патент РФ N 2073751 (протошп)
Рисунок 8.
Расположение опорных ТР в морфологическом поле решений и экспериментальная установка
для микродугового оксидирования
Список литературы
Вермишев Ю.Х. Методы автоматического поиска решений при проектировании сложных технических систем. - М.: Радио и связь, 1982. - 152 с.
Осин М.И. Методы автоматизированного проектирования летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1984. - 51 с. ГОСТ 2.118-2013 Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Техническое предложение. Бусленко Н. П. Моделирование сложных систем. - М.: Наука, 1978. - 400 с.
Zwicky F. Entdecken, Erfinden, Forschen im morphologischen Weltbild. - München; Zürich: Droemer/Knaur, 1971. - 206 S. Zwicky F. Discovery, Invention, Research through the Morphological Approach. - New York: McMillan, 1969.
7. Украженко К.А. Совершенствование методов построения модульных инструментальных систем // Вестник машиностроения. 2010. - № 10. - С. 72-76.
8. Smerlinski M., Stephan M., Gundlach C. Innovationsmanagement in hessischen Unternehmen. Eine empirische Untersuchung zur Praxis in klein- und mittelständischen Unternehmen. Discussion Paper on Strategy and Innovation, Marburg, Juni 2009. ISSN 1864-2039.
9. VDI 2221 Systematic approach to the development and design of technical systems and products. 1993.
10. VDI 2222. Pt 1. Methodic development of solution principles. 1997.
11. Klimenko B., Rakov D. Analysis and Synthesis of Innovative Engineering Solutions and Technologies Based on Advanced Morphological Approach // Advances in Artificial Systems for Medicine and Education. AIMEE 2017. Advances in Intelligent Systems and Computing. 2018. - Vol. 658. - P. 274-283. DOI: 10.1007/978-3-319-67349-3_26
12. Bardenhagen A., Gavrilina L.V., Klimenko B.M., Pecheykina M.A., Rakov D.L., Statnikov I.N. A Comprehensive Approach to the Structural Synthesis and Evaluation of Engineering Solutions in the Design of Transportation and Technological Systems // Journal of machinery manufacture and reliability. 2017. - N 46. - P. 453-462. DOI: 10.3103/S105261881705003X
13. Rakov D., Thorbeck F. Vergleich von verschiedenen Konzepten für aerostatische stratosphärischen Plattformen // Jahrbuch Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress. 2002. - S. 1217-1224.
14. Rakov D., Sinev A. The Structural Analysis of New Technical Systems Based on a Morphological Approach under Uncertainty Conditions // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2015. - Vol. 44, N 7. - P. 74-81.
15. Раков Д. Л., Сухоруков Р.Ю., Гаврилина Л.В. Анализ и оценка технологий и оборудования для изготовления заготовок длинномерных полых валов газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов на базе морфологического подхода // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2015. - № 4. - С. 136-143.
16. Клименко Б.М., Раков Д. Л., Торбек Ю. Устройство для нанесения покрытия микродуговым оксидированием вентильных металлов и сплавов. Патент на изобретение РФ 2413040 от 04.09.2008.
17. Klimenko B., Rakov D. Analysis and Synthesis of innovative engineering solutions and technologies based on advanced morphological approach // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2018. - Т. 658. - P. 274-283.
