CC BY
12Раков Д.Л.
к.т.н., с.н.с. Института машиноведения РАН
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ ПРИ ПОИСКЕ, АНАЛИЗЕ И ОБОСНОВАНИИ ИННОВАЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ
Ключевые слова: инновационные технологии, морфологические подход, поиск и анализ инновационных решений, инновационное развитие, менеджмент.
Keywords: innovative technologies, morphological approach, search and analysis of innovation solutions, innovative development, management.
Одной из важных проблем при поиске новых инновационных решений остается необходимость дальнейшей формализации процесса концептуального проектирования. Методы определения и решения задач структурного анализа и синтеза на этом этапе делятся на два основных класса: трансформационные и морфологические. Трансформационные подходы опираются на широкое использование творческого потенциала исследователя. Однако в процессе синтеза могут возникнуть неожиданные обстоятельства, связанные с некоторыми характерными особенностями человеческого мышления. Дело в том, что исследователь имеет определенное пристрастие к обычным подходам, которые ему понятны. В то же время оригинальные способы решения не принято называть «традиционными» методами. Регулярность проявляется либо в придании структурам визуально «правильных» черт - симметрии, иерархии, повторения и периодичности, либо в выведении самой структуры по определенной аналогии. В конечном итоге это может привести к развитию паттерна, который сам по себе может повлиять на качество результатов структурного синтеза. Многие исследователи обращают внимание на некоторые опасности, связанные с использованием чисто человеческих подходов для решения структурных задач.
Начальная форма или общая структура проектируемого объекта исследования оказывает влияние на его конечную форму. Особенность принятия решений человеком такова, что как только появляется исходная структура, она, скорее всего, будет использована в качестве основной модели для дальнейшего развития. Полная автоматизация трансформационных методов принципиально невозможна.
Все морфологические методы основаны на комбинаторном подходе. Процедура морфологического анализа (МА) позволяет целенаправленно и планомерно закладывать огромное количество аналогов в морфологические наборы инженерных решений1.
Общий вывод из приведенного анализа состоит в том, что автоматизированное проектирование должно охватывать не только заключительные стадии, но и поиск начальных концепций изделий. Без современных компьютерных технологий практически невозможно рассмотреть и оценить большое количество возможных решений и технических новинок.
Таким образом, МА была использована в десятках разработок в области управления проектами.
Так, морфологический ящик использовался в интересах устойчивого развития систем образования. В созданном морфологическом ящике содержалось более 70 миллионов вариантов для системной реализации. Университеты могут использовать этот морфологический ящик для выявления своего уникального профиля2.
Анализ был использован для комплексного отбора систем помощи работникам для человеко-машинных производственных систем. Из-за растущей сложности продуктов и процессов в производственном секторе, а также меняющейся рабочей среды, выбор подходящих систем поддержки становится все более сложным и актуальным. В данной работе исследователи определяют широкий спектр влияющих атрибутов для выбора наиболее подходящих систем помощи работникам в зависимости от каждой отдельной области применения. Эти атрибуты закладывают основу для разработки морфологического ящика3.
1 Zwicky F. Discovery, Invention Research - Through the Morphological Approach. Toronto: The Macmillan Company, 1969; New Methods of Thought and Procedure: Contributions / Ed. by F. Zwicky, A. Wilson. - 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 Science and Technology City Hall of the Russian Union of Scientific and Engineering Associations. Krasnoyarsk. 2020. 42083.
2 Isenmann R., Landwehr-Zloch S., Zinn S. Morphological box for ESD - landmark for universities implementing education for sustainable development (ESD) // The International Journal of Management Education. 2020. - Vol. 18, N 1.
3 Spaker L., Mark B., Rauch E. Development of a Morphological Box to Describe Worker Assistance Systems in Manufacturing // Procedia Manufacturing. 2021. - Vol. 55. - P. 168-175.
В следующем примере в ходе исследования были проанализированы новые бизнес-кейсы в сфере электроэнергетики с целью их систематической классификации на основе теоретических оснований. Дополняя недостатки, исследователи синтезировали морфологический ящик для категоризации, чтобы сравнить несколько бизнес-кейсов и вывести основные типы. Выяснилось, что коммунальные службы, а также жилые, коммерческие и промышленные потребители выступают в качестве основных заказчиков распределенных ресурсов, в то время как сотрудничество между различными отраслями быстро растет, а местные органы власти активно участвуют в бизнесе в качестве основных поставщиков1.
Результаты исследований МА показывают, что современное состояние разработки и поддержки систем В2С не
сильно подверглось влиянию современных концепций веб-инженерии и что существует значительный потенциал для
2
улучшения .
В следующем исследовании предлагается методология планирования системных технологий с использованием трехмерного морфологического ящика. Авторы предполагают, что проблема планирования системных технологий может быть представлена тремя основными атрибутами, т.е. потребностями (системными требованиями), семенами (базовыми технологиями) и системными технологиями (системными проблемами). Они вводят трехмерный морфологический ящик, осями которого являются вышеуказанные атрибуты, в качестве деятельности по планированию. Составляющие элементы каждой оси получаются из распознавания общественных и технологических тенденций3.
В следующей работе концепция человеко-машинного взаимодействия рассматривается как ключевой фактор, способствующий созданию гибких производственных систем, поскольку роботы, работающие в сотрудничестве, предлагают новые формы гибкости. Благодаря встроенным функциям безопасности, эти роботы могут работать без физического разделения устройств безопасности и, таким образом, обеспечивают гибкость в распределении и выполнении задач. В статье представлено влияние модификаций на роботизированные ячейки и то, как они влияют на оценку рисков. Кроме того, представлен метод рассмотрения вариантов рабочей системы на основе желаемых будущих модификаций, чтобы последствия можно было определить уже на ранней стадии проектирования системы4.
Данное исследование основывается на методологической литературе по разработке и оценке энергетических сценариев и представляет морфологический блок, который включает параметры, описывающие свойства сценария, свойства модели (энергетической системы), научную практику и институциональные настройки энергетических сценариев. Новый разработанный морфологический блок применяется к четырем выбранным энергетическим сценариям энергетического перехода5. Морфологические подходы также использовались в ряде других работ.
Среди задач, возникающих при проектировании инженерно-технологических процессов, можно выделить следующие:
• Создание подходов, позволяющих на ранних стадиях создания процесса обрабатывать информационные потоки и вырабатывать некоторый набор возможных решений;
• Повышение эффективности проектных исследований и сокращение времени, затрачиваемого на весь цикл создания процесса;
• Увеличение количества рассматриваемых вариантов, определение оптимальных режимов работы и учет влияния внешней среды;
• Использование новых методологических подходов к решению проблем;
• Повышение эффективности проектных исследований;
• Удовлетворение условий конкурентоспособности, высоких требований к качеству, производственной целесообразности и т.д.;
• Выбор наилучшей структуры процесса, осуществление оптимальной организации взаимодействия элементов, определение оптимальных режимов функционирования и учет влияния внешней среды;
• Автоматизация поисковых работ.
С целью автоматизации работ была разработана программа «Оккам»6 (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
1 Park C., Lee, D. Analysis on new types of electric power businesses using a morphological box // Energy & Environment. 2020. -Vol. 32, N 1. - P. 113-133.
2 Knolmayer G., Borean A. A Morphological Box for Handling Temporal Data in B2C Systems // Software Services for e-World. I3E 2010. IFIP Advances in Information and Communication Technology, 2010. - N 341.
3 Nakao K. A planning methodology of systems technologies by a normatively developed morphological box // IEMC'01 Proceedings. Change Management and the New Industrial Revolution. IEMC-2001. 2001. - P. 440-445.
4 Komenda T., Steiner M., Rathmair M., Brandstotter M. Introducing a Morphological Box for an Extended Risk Assessment of Human-Robot Work Systems Considering Prospective System Modifications // Proceedings of the Joint Austrian Computer Vision and Robotics Workshop, Graz. JRR0B-20-RAT-1. 2020.
5 Witt T., Stahlecker K., Geldermann J. Morphological analysis of energy scenarios // International Journal of Energy Sector Management. 2018. - Vol. 16, N 2. - P. 116-125.
6 Rakov D.L. OKKAM - advanced morphological approach as method for computer aided innovation (CAI) The proceedings of International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment: Mechanical Engineering and Materials Science (ICMTMTE 2019). 2019. - P. 00120; 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.
Зуг^Ьеье Оккэтз.о. Оккат 3.0.
Рисунок 1. Развитие программы «Оккам»
• генерация (рис. 2)
• выбор вариантов
• кластеризация вариантов на основе меры сходства и создание пространства решений (рис. 3),
• анализ кластеров и решений с опорными и конвергентными вариантами,
• анализ проектного риска, вариантов и выбор,
• синтез прогностических моделей,
• параметрическое моделирование и оптимизация.
|Ю0_| Число Еариантов для анализа
|1000 | Числа вариантов для генерации
Генерация вариантов и отбор
Измененение сходства вариантов
.......
1л
И ШРР1Я1И ЯМИЯМПИШ!1ЯГ
Сходство Еариантов
___ ___ ___ ___
1[Л т " [ 1 ---- --- —
ПИП 1 Г11III тп 1 ГЦ]|Т1Г|П|Ц[Т1| 1 1 ММ! н ■■I
II 1 II ■■I
Число вариантов для анализа Числе Еариантов для генерации
Генерация вариантов и отбор Измененение онодства вариантов
1 и
1 и
■
1 т .......Т III Г' МП т ■п ,ГГ Г 1
Сходство Еариантов
1 II 1 . пп
ИТРЦЩШЩМГТМ п —1 ■" 11 "г Иш IIIII 1ПЛР
: гР III
1
1
Рисунок 2.
Генерация вариантов (экранная заставка) 691
Рисунок 3.
Кластеризация вариантов решений (экранная заставка)
Программное обеспечение позволяет синтезировать и отобрать требуемое число вариантов. Число отбираемых и сгенерированных вариантов определяет эксперт, в зависимости от поставленной задачи и выделенных ресурсах (рис. 4).
Рисунок 4.
Расположение синтезируемых вариантов в поле решений в зависимости от числа
генерированных вариантов
В дальнейшем варианты группируются в кластеры (рис. 5).
Морфологическое множество вариантов - 117964В Количество синтезируемых вариантов - 100 Количество отобранных вариантов - 100
Морфологическое множество вариантов - 1179648 Количество синтезируемых вариантов - 10000 Количество отобранных вариантов - 100
Морфологическое множество вариантов - 1179648 Количество синтезируемых вариантов - 1000000 Количество отобранных вариантов - 100
Морфологическое множество вариантов - 1179648 Количество синтезируемых вариантов - 1000 Количество отобранных вариантов - 100
Ш^/ . в/
о
) V /
Морфологическое множество вариантов - 1179648 Количество синтезируемых вариантов - 100000 Количество отобранных вариантов - 100
О^/ асу СГу7
/ и Jp fГ
7 у
Рисунок 5.
Расположение синтезируемых кластеров и вариантов в поле решений в зависимости от числа
генерированных вариантов
Программное обеспечение позволяет также варьировать число исследуемых вариантов (рис. 6).
Рисунок 6.
Расположение синтезируемых кластеров и вариантов в поле решений в зависимости
от числа исследуемых вариантов
В заключении можно сделать выводы о том, что использование предложенного подхода и программного обеспечения повышает вероятность при поиске, анализе и обосновании инновационных решений. Рассматриваемое программное обеспечение является универсальным и позволяет синтезировать и оценивать экспертные решения как в технических областях, так и в области управления проектами и менеджмента. Использование подхода позволяет сгенерировать синергетический эффект при генерации новых решений и идей, построении пространства существующих решений, а также при оценке новизны и инновационности сгенерированных вариантов.
