CC BY
25Раков Д.Л.
к.т.н., с.н.с. Института машиноведения РАН
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО И ИННОВАЦИОННОГО РАЗВИТИЯ
Ключевые слова: инновационные технологии, морфологические подход, морфологический ящик, научно-технологическое и инновационное развитие.
Keywords: innovative technologies, morphological approach, morphological box, scientific-technological and innovative development.
Некоторые задачи научно-технологического и инновационного развития, а также их прогнозирование являются трудно формализуемыми. Это справедливо как для отдельных технических и технологических систем (ТС), так и для их групп, а также областей техники. Для инновационной деятельности характерны следующие особенности1:
• Расширение объема информации, который рассматривается в процессе проектирования. Сегодня необходимо учитывать широкие связи и отношения систем, большое число различных профессиональных сфер, которые замыкаются на проектировочную деятельность. Эта тенденция проявляется и в создании многоцелевых банков данных и автоматизированных систем. Сложные проекты дают возможность многоцелевого применения данных на различных этапах процесса проектирования, использования и эксплуатации.
• Возрастающая сложность и математическая трудность инженерных расчетов в процессе проектирования. Эта тенденция проявляется из-за необходимости более детального анализа и моделирования основных компонентов с помощью вычислительной техники. В области применения теории вычислительных машин можно выделить две сферы -обработка данных и научно-технические расчеты.
• Сложность процесса проектирования выдвигает настоятельную необходимость его специального исследования, имитации, проверки возможности различных вариантов планируемых решений. Отсюда возникает совокупность технических, информационных и других требований, включаемых в оценочную деятельность.
• Прогностическая сторона проекта. Проектировочная деятельность должна быть научно и технически обоснована на базе новейших результатов исследования и разработок, доступных здесь и сейчас. Но в то же время проектировщик всегда должен принимать во внимание более или менее отдаленное будущее, перспективу, т. е. проектирование все более смещается с эмпирически данного мира на область «возможных миров», которые могут и улучшить, и ухудшить ситуацию, существующую в нашем современном мире.
Для решения данных задач могут использоваться как интуитивные, так и дискурсивные подходы. К интуитивным подходам относятся мозговой штурм, синектика, ТРИЗ и ряд других. Сложность использования интуитивных подходов состоит в принципиальной невозможности получения устойчивых, повторяющихся результатов.
В противовес к интуитивным методам существует группа дискурсивных или алгоритмических методов поиска новых технических решений (ТР) и прогнозирования их развития. Наиболее часто в этой группе используются морфологические методы2. Эти методы могут быть формализованы, и их компьютеризирование позволит получить устойчивые результаты.
Компьютеризация работ на этапе концептуального проектирования ТС логически завершит уже созданное и применяемое программное обеспечение на других этапах проектирования. Компьютеризация позволит также решать прогнозные задачи для конкретных ТС или областей техники3.
Программное обеспечение должно обладать следующими свойствами:
• универсальность,
• многофункциональность,
• комплексность,
При выработке и обосновании решений необходимо обладать следующей данными:
1 Тондл Л., Пейша И.. Методологические аспекты системного проектирования // Вопросы философии. - М., 1987. - № 2. -С. 87-96.
2 Zwicky F. Discovery, Invention Research - Through the Morphological Approach. - Toronto: The Macmillan Company, 1969; New Methods of Thought and Procedure: Contributions. - Berlin: Springer, 1967; Rakov D.L., Sukhorukov R.Y., Pecheykina M.A. Choosing and evaluating fabrication processes by means of a computer-aided innovation support system based on the morphological approach // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2019. - Vol. 48, N 2. - P. 173-178; Rakov D. Morphological methods of searching for new engineering solutions and their use in industry 4.0 // Journal of Physics: Conference Series. - Krasnoyarsk, 2020.
Гаврилина Л.В., Печейкина М.А., Раков Д.Л., Сухоруков Р.Ю. Структурный синтез и анализ при разработке инновационных технологических процессов на базе прогрессивного морфологического подхода // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2017. - № 4. - С. 137-145.
• Информацией о структуре системы и ее элементах и окружающей среды;
• Информацией, описывающей состояние системы и окружающей среды;
• Информацией о внутренних и внешних неконтролируемых факторах;
• Информацией о возможных сценариях развития ТС, изменении цели и критериях в ходе ее развития;
• Информацией об управлении ТС и возможности адаптации к изменяющимся условиям внешней среды.
В принципе морфологические подходы можно рассматривать как аналитические системы поддержки принятия решений (СППР). К особенностям можно отнести:
• Генерацию качественных ТР;
• Потенциальную компьютеризацию и достижение высокой производительности;
• Логичность и возможности обоснования выбора тех или иных ТР;
• Универсальность и широкую специализацию;
• Возможность построения прогностических моделей.
• Неустойчивость к ошибкам. Входные данные низкого качества вызывают некачественные решения.
В бизнесе метод морфологического анализа используется для решения задач и проблем в случае недостатка исходных данных или для поиска идей для новых продуктов, или услуг1 [7]. Методы используются также для решения социальных задач и разрешения социальных проблем. В качестве примеров использования в инновационном бизнесе можно назвать следующие примеры:
• Управление2
• Планирование3
• Политические исследования4
• Моделирование финансовых операций5
• Принятие решений6
• Выработка стратегий
• Передача знаний7
• Рыночные инновации8
• Создание бизнес-моделей9
• Прототипирование и т.п.
С целью автоматизации работ было разработано программное обеспечение «Оккам»10 (рис. 1). Программное обеспечение может использоваться на этапе концептуального проектирования с целью повышения инновационности синтезируемых технических решений. В предлагаемом методе исследования осуществляются в следующей последовательности:
• синтез морфологической матрицы,
• определение системы критериев,
• оценка вариантов и выбор опорных вариантов,
• генерация,
• выбор вариантов,
• кластеризация вариантов на основе меры сходства и создание пространства решений (рис. 2),
• анализ кластеров и решений с опорными и конвергентными вариантами (рис. 3, 4),
• анализ проектного риска, вариантов и выбор (рис. 5, 6),
• синтез прогностических моделей,
• параметрическое моделирование и оптимизации.
Сопоставляя варианты, определяют наилучшие, из которых составляется итоговая таблица, где после всех выборок остается набор приемлемых решений. ТР, помимо состава и функций, описывают также связи11.
1 Alvarez A., Ritchey T. Applications of General Morphological Analysis // Acta Morphologica Generalis. 2015. - N 22 (40).
2 Proctor R. The Importance of Creativity in the Management Field // British Journal of Management. 1991. - N 2-4.
3 Turley R., Richardson W., Hansen J. Morphological analysis for health care systems planning // Socio-Economic Planning Sciences. 1975.
4 Ritchey T. Fritz Zwicky «Morphologie and Policy Analysis» // Proceedings of the 16th EURO Conference on Operational Analysis. - Brussels, 1998.
5 Petrusel R., Mocean L. Modeling decisional situations using morphological analysis. Informatica Economica. 2007. - N 4 (44).
6 Sharif A., Irani Z. Applying a fuzzy-morphological approach to complexity within management decision-making // Management Decision. 2006. - Vol. 44, N 7.
7 Kumar J., Ganesh L. Research on knowledge transfer in organizations: a morphology // Journal of Knowledge Management. 2009. -Vol. 13, N 4.
8 Storbacka K., Nenonen S. Competitive Arena Mapping: Market Innovation using Morphological Analysis in Business Markets // Journal of Business-to-Business Marketing. 2012. - Vol. 19, N 3.
9 Lee J., Hong Y. A Morphological Approach to Business Model Creation using Case-Based Reasoning // Proceedings of the International Conference on Engineering Design / Technical University of Denmark. 2011.
10 Rakov D.L. OKKAM - advanced morphological approach as method for computer aided innovation (CAI) // Matec web of conferences. The proceedings International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment: Mechanical Engineering and Materials Science (ICMTMTE 2019). 2019. - P. 00120; Bardenhagen A., Rakov D. Advanced morphological approach in aerospace design during conceptual stage // Facta Universitatis. Series: Mechanical Engineering. 2019. - Т. 17, N 3. - С. 321-332.
11 Раков Д. Л. Прямые и обратные задачи структурного синтеза при поиске новых технических решений // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2007. - № 2. -С. 42-49.
Synthese
Okkam 2.0.
Okkam 3.0.
1 1 А 3 S 4 5|б |7 7 1
3 3 4 3 ш
6 е 6J2 7 7 т А IBB тшя
♦ О «. *_♦*
«' ¥ i__
iE®®®®®®®®®
Рисунок 1. Развитие программного обеспечения
Рисунок 2. Кластеризация вариантов
1234567S9 10
♦ • • •
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
21 22 23
24
Рисунок 3. Кластеризация вариантов
Рисунок 4. Опорные варианты в поле решений
Рисунок 5.
Конвергентные варианты в поле решений
Р1 Р2 Р3 Р«
Р1 р} Р1
Р2 Р2 э|
Р3 Р3 Р 1 = 3
Р4 „1 - J к4 г1;
Р5 Р5
р6 а6
Р7 Р7 с2 7
Р3 Р8 Р| Р|
Р9 Р9 Р9
Р1С 1| Р10 ^
Р11 ри р::
Р12 р12 ■
Р13 о 1 Р13 р:з Р13
Р1 Р2 Р3
Р1 Р! Р2
Р2 Р*
Р3 рз Р1 Р4
Р4 Р1 4 - 5 4 Р4 н4
Р5 1 >1
Р6 Р1
Р7 „1 7 в
Р8 Р8 Р2 8 Р3 8
Р9 Р2 Р3
Р10 Р2 Р3 Р10
Р11 Р1 = 1
Р12 1 Р12 "¡2 Р3 12
Р13 а1 Р13 Р13 Р3
Рисунок 6.
Искомый вариант в морфологической матрице
К основным преимуществам программного обеспечения можно отнести:
• Повышение креативности разработчиков. Инновации зависят от количества идей, а также от их качества. Предложенный подход позволяет быстро генерировать морфологическое множество решений и выбирать наилучше.
• Повышение эффективности разрабатываемых решений и продуктов. Компьютерные решения ускоряют инновационные процессы. Они ускоряют обработку и распространение информации, позволяют оперативно модифицировать исходные данные и их распространять. Также сокращается время поиска информации.
• Повышение компетенции. При использовании программного обеспечения можно отследить логику выбора тех или иных решений. За счет этого инновационный процесс становится более понятным и легким. Таким образом программный продукт позволяет менее компетентным пользователям использовать сложные методы с небольшими затратами. Тем самым повышается уровень компетенции.
• Ускорение работ и времени принятия решений. В инновационном процессе важно отфильтровать решения быстро и эффективно. Разработанное программное обеспечение обладает потенциалом для улучшения и ускорения принятия решений.
• Прогностические аспекты. Программное обеспечение позволяет оперативно осуществит проработку различных сценариев, могут оперативно изменяться критерии оценки и альтернативы. Вся информация рассматривается одновременно, что улучшает качество принимаемых решений.
В заключении можно сделать выводы о том, что использование морфологических подходов повышает вероятность создания инновационных решений. Предлагаемый подход является универсальным, применим во многих областях и предназначен для:
• генерации новых решений и идей,
• поиска новых пионерных решений и изобретений,
• оценки сгенерированных решений по сравнению с существующими,
• определения технического уровня систем,
• управления инновациями,
• патентного исследования и защиты,
• прогнозирования научно-технологического и инновационного развития как отдельных систем, так и областей техники.
