Замкнутое управление конфликтом в изобретательской задаче Текст научной статьи по специальности «Физика»

ЗАМКНУТОЕ УПРАВЛЕНИЕ КОНФЛИКТОМ В ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКОЙ ЗАДАЧЕ А.Б. Бушуев

Процесс решения изобретательской задачи рассматривается как процесс поиска, захвата и слежения за новой идеей, созревающей в подсознании изобретателя

Структура конфликтных ситуаций в техническом творчестве

Конфликтные ситуации используются для формализации задач технического творчества. Известный алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ) [1] состоит из цепочки конфликтов в виде последовательно углубляющихся и обостряющихся противоречий: административного (между потребностями общества и нерешенностью проблемы), технического (между определенными частями, качествами или параметрами технической системы) и физического (между противоположными физическими свойствами ресурса, решающего задачу). Разрешение противоречий приводит к новому результату. Для оценки качества нового решения используется так называемый «идеальный конечный результат» (ИКР), т.е. такой, который получается сам собой, без всяких затрат. Чем ближе новое решение к ИКР, тем оно сильнее. В [2] структура развития противоречий конвертируется в схему преобразования веществ и полей (рис. 1).

Вещества и поля прототипа

Действия

конфликтной пары

Противоположные свойства противоречия

Вещества

и поля

нового

решения

Рис. 1. Структура преобразования веществ и полей в АРИЗ

Описание прототипа поступает на вход АРИЗ в виде совокупности веществ и полей. Под веществами понимаются любые элементы, устройства технической системы, ее функциональные части. Поля отражают, в принципе, любое взаимодействие между веществами. Таким образом, можно считать, что на вход АРИЗ поступает структура прототипа. В структуре прототипа определяется так называемое «узкое» место или конфликтная зона. Модель конфликтной зоны представляется в виде веполя (сокращение «вещество+поле»). Веполь является направленным графом-триадой из двух веществ и поля (рис.2а и 2г) или двух полей и вещества. Ребра графа - это бинарные отношения между веществами и полями. Вредные отношения показываются волнистой линией, а полезные - прямой линией. Веполь является высоко абстрактной моделью технического противоречия. Прототип обладает нежелательным эффектом, поэтому одна из связей в его веполе между веществами В1 и В2 (рис.2а) представлена волнистой линией. Далее, по ходу преобразования конфликтной зоны, т. е. усиления конфликта, веполь прототипа становится неустойчивым, терпит катастрофу [3] и распадается: одно вещество и поле или два вещества образуют конфликтную пару: инструмент Инс. и изделие Изд. (рис.2б). Инструмент находится в двух противоположных состояниях.

а) П

б)

< ,

Инс^^Изд

в)

ЧХ

П

В1«-*В2

Рис. 2. Структура преобразования конфликтной зоны

Между этими двумя состояниями и возникает конфликт или техническое противоречие. В одном состоянии инструмент оказывает на изделие как полезное, так и вредное действия. В другом состоянии инструмента полезное и вредное действия меняются местами. Например, в процессе токарной обработки при большой подаче (одно состояние) резец (инструмент) обтачивает деталь (изделие) быстро, но неточно, а при малой подаче (другое состояние) резец точно обтачивает деталь, но медленнее. Таким образом, конфликт переносится на два свойства С1 и С2 (рис. 2в): точность и производительность обработки.

Конфликт между свойствами С1 и С2 возникает в сознании изобретателя и служит ядром зарождения нового решения, которое в АРИЗ обозначается как Х-элемент (икс - неизвестный). Х-элемент появляется в результате максимального обострения конфликта между свойствами-антагонистами С1 и С2. Этот элемент разрешает противоречие, в результате получается веполь нового решения (рис. 2г).

Динамическая модель конфликта в режиме поиска решения

В процессе эволюции конфликт в изобретательской задаче проходит два этапа. Первый этап в [2] определен как этап эмбрионального саморазвития нового знания, выражением которого является Х-элемент. Х-элемент развивается в двухканальном го-меостате антагонистических свойств С1 и С2 технического противоречия задачи. Характерной особенностью этапа является то, что новое знание не осознается изобретателем, поскольку располагается в подсознании, и Х-элемент не наблюдаем. Его проявлением служит взаимная борьба (гомеостаз) антагонистов С1 и С2. Борьба заключается в обмене «ударами» психологической энергии и информации, и можно предполагать, что она носит колебательный характер. В терминах систем пространственного слежения этот этап можно назвать поиском цели, т.е. Х-элемента. Средством поиска является двухканальный гомеостат свойств С1 и С2 как стереотипная модель противоречия конкретной задачи. Он совершает поисковые движения в подсознании изобретателя для обнаружения цели, т.е. стереотипа ответа на предъявленную стереотипную модель. Свойства-антагонисты С1 и С2 могут быть названы «родителями» эмбриона нового знания или цели поиска.

Структура, реализующая процесс поиска, является разомкнутой по положению цели. Гомеостат свойств С1 и С2 работает от командного сигнала по программе, формируемой развитием инструмента Инс. конфликтной пары. Предположим [3], что развитие состояния инструмента во времени определяется производящей катастрофой типа «сборки»

^ = Ч = -Ч3 + т ■ Ч + Г Ч(0) = q0, (1)

ш

где ч - координата развития состояния инструмента во времени, например, от скорости подачи резца в прототипе ч0 до максимально возможной скорости подачи чтах, при

которой резец выходит из строя; тогда антисимметричная координата - ч будет определять развитие состояния инструмента от скорости подачи в прототипе до минимально возможной скорости подачи чтт = 0, т ~ ч2 - мощность конфликта, г - ресурс Х-элемента. Для возможности сравнения обе координаты ч и - нормируются относительно ч0 , чтах и чтт . Тогда нормированные координаты будут развиваться по антисимметричным кривым от ч0 до +1, и от - ч0 до -1, максимальная мощность конфликта для нормированных координат ттах = 1, и г=0, так как Х-элемент пока не обнаружен.

Динамическую модель гомеостата зададим [4] производящей катастрофой типа «гиперболической омбилики»

КТу = 3уг - аг + Ъ, у(0) = 0 КТ г = -3 уг - ау + с, г (0) = 0

(2)

где антисимметричные координаты у и г = -у задают развитие во времени нормированных свойств С1 и С2 гомеостата, соответственно, параметр а определяет степень созревания эмбриона нового решения в подсознании изобретателя или отражающую способность цели, параметры Ъ и с задают вынужденное поисковое движение гомеостата под действием кривой развития инструмента (1), т.е. Ъ=q, с=-^, Т - постоянная времени, характеризующая психологическую инерционность мышления изобретателя, К - масштабирующий множитель.

Уравнения гомеостата (2) запишем в операторном виде и учтем время задержки т на обдумывание задачи и принятие решения изобретателем. Тогда получим систему

КТ5у = (3уг - аг + q) ехр(-ет), у (0) = 0 KTsz = (-3уг - ау - q)exp(-ет), 2(0) = 0 .

(3)

sq = -q + т ■ q, q(0) = q0

Математический анализ такой нелинейной системы с запаздыванием весьма сложен. Поэтому для определения различных режимов в системе (3) было проведено моделирование переходных процессов при q = со^ >0, и построены параметрические области характерных движений в установившемся режиме (рис. 3). В зависимости от отношения т/Т и входного сигнала q можно выделить 3 разных области: область устойчивости, область установившихся колебаний и область неустойчивости.

Рис. 3. Области характерных движений гомеостата (3) при д(?) = д

Область устойчивости характерна тем, что по мере приближения к границе 1 переходный процесс изменяется от монотонного к колебательному, оставаясь устойчивым. Но противоречие не разрешается, каждый антагонист стремится к своему установившемуся значению. Следовательно, цель не найдена.

В области установившихся колебаний между границами 1 и 2 гомеостат совершает незатухающие поисковые колебания, причем при переходе через границу 1 возникают ограниченные колебания одной частоты, а по мере приближения к границе 2 появляются ограниченные колебания других частот, движение становится похожим на

хаотическое. Поскольку звено запаздывания аппроксимируется не меньше, чем апериодическим звеном второго порядка, то, с учетом интегратора, модель режима поиска описывается нелинейным дифференциальным уравнением не менее 3-го порядка. Поэтому нельзя исключить возможность возникновения странного аттрактора. Хаотичность движения в странном аттракторе обладает максимальной эффективностью случайного поиска. Мышление изобретателя, посещая все «закоулки» подсознания, отыскивает фрактальное подобие, стереотип ответа на предъявленную ситуацию. Режим установившихся колебаний наиболее благоприятен для отыскания решения, так в этой области складываются оптимальные соотношения между мощностью конфликта при вынужденном движении, определяемой величиной сигнала q от командного генератора (1), и психологическими свойствами мышления изобретателя, задаваемыми отношением т/Т. Как видно, для преодоления границы 1 необходимо либо усиливать мощность конфликта, либо увеличивать время на обдумывание задачи и принятие решения, либо снижать психологическую инерцию мышления, что достигается путем обучения и тренировки при решении изобретательских задач.

Переход через границу 2 в область неустойчивости ведет к расходящимся колебаниям антагонистов. Нахождение решения с режимом поиска из этой области при заданных времени обдумывания и мощности конфликта менее вероятно, чем в области установившихся колебаний, поскольку при переходе через границу 2 проявляется двойственность постоянной времени психологической инерции: уменьшение Т снижает вероятность захвата цели.

На двойственность психологической инерции указывал и автор теории решения изобретательских задач Г.С. Альтшуллер при рассмотрении так называемого полиэкранного мышления: «Хороша или плоха психологическая инерция? Плоха, если мешает перейти от одного экрана к системе экранов. Хороша, если приковывает внимание к вспыхнувшему экрану, скажем, № 9» [5]. Таким образом, в области устойчивости большая психологическая инерция плоха тем, что затрудняет переход от старых идей к новым, а в области неустойчивости малая психологическая инерция плоха тем, что при слишком быстрой скорости поиска трудно запомнить идею из-за малого объема памяти, который и характеризует постоянная времени Т. Поэтому отношение т/Т можно рассматривать как апертуру гомеостата. Очевидно, существует некоторое критическое отношение т/Т (на границе 1), ниже которого даже при очень большой мощности конфликта q задача поиска не решается, как, например, движение по двойной пунктирной стрелке N. В этом случае новая идея, возможно, и обнаруживается в подсознании, однако не распознается как новая на фоне старых идей, также попавших в широкую апертуру.

При отношении т/Т больше критического значения, например, при поиске по двойной штриховой стрелке Я, новое решение обнаруживается и распознается, так как ширина апертуры меньше, но только за границей 1, когда мощность конфликта будет превышать определенное значение.

При подаче в режиме поиска на гомеостат кривой развития q=q(t) (см. график на вставке в правом верхнем уголке на рис. 3) характер поисковых движений сохраняется, только несколько затягиваются переходные процессы выхода антагонистов в установившийся режим. Но более плавное изменение скорости конфликта позволяет большее надежно захватить цель в режиме захвата.

Динамическая модель конфликта в режиме захвата и слежения за целью

Главной проблемой моделирования захвата является выявление момента обнаружения или момента «озарения» по З.Фрейду, когда идея нового решения «пробивается» из подсознания в сознание. В [2, 4] рассматривается модель (2) гомеостата без звена

запаздывания, а момент «озарения» моделируется подачей ступенчатого воздействия на один или оба входа гомеостата в точке максимального обострения противоречивых свойств С1 и С2 при 1= т (рис. 4а).

а)

о

У хЬ

2 Г

ь — Т *

М \2 и V.

Рис. 4. Режим захвата цели

Недостатком такого моделирования является то, что ступенчатое воздействие подается на гомеостат извне, не из структуры, определенной моделью конфликта, и момент т максимального обострения должен находиться в бесконечности, поскольку антагонистические координаты у и г стремятся к своим экстремальным значениям асимптотически. Модель конфликта (3) со звеньями запаздывания внутри антагонистов позволяет при необходимой апертуре получить колебания конфликтных координат (рис. 4б и 4в). Тогда момент 11 максимального обострения или озарения однозначно определяется в точке максимума колебаний. Момент времени 12, когда конфликтные координаты достигают нулевого значения, считается моментом разрешения противоречия, в этот момент гомеостат замыкается и переходит в режим слежения за целью (рис.5а). Промежуток от 11 до 12 можно определить как время распознавания цели.

При замыкании модели конфликта обратной связью устройство, условно названное пеленгатором, вырабатывает кривую развития Х-элемента. Пеленгационная характеристика х=х(у,г) определяется известным уравнением для двухкоординатных следящих систем х = к^у2 + ^2 , где коэффициент к учитывает действующее значение колебаний. Это уравнение при условии у=-г и к = (л/2)приводится к виду х=±0.5(у-г). Вид пеленгационной характеристики представлен на рис. 5б.

г

Генератор ! ИКР

г4*Г

.-тя

Рис. 5. Моделирование конфликта в режиме слежения

Генератор ИКР вырабатывает сигнал ^"(1)=^-1 (1), отражением идеальности которого в динамике является мгновенный скачок при 1=0. При ^=1 в системе слежения возникают незатухающие колебания, т.е. слежения не происходит. Эта ситуация моделирует невозможность реализации идеального конечного результата. Поэтому коэффици-

ент ё выбирается в пределах 0<ё<1 и отражает степень идеальности нового решения . Чем больше ё, тем ближе решение к идеальному. При заданных психофизиологических свойствах мышления (Т, т, т, а) существует некоторое критическое значение ёкр, при

котором установившаяся ошибка слежения е получается наименьшей (рис.5в).

Заключение

В результате проведенного исследования определен переход от структурно-логических схем конфликта к математическом модели его развития в виде нелинейной системы дифференциальных уравнений. Математическая модель позволяет установить связи между психофизиологическими свойствами мышления изобретателя и вероятностью нахождения нового решения.

Литература

1. Альтшуллер Г.С. Найти идею. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991.

2. Bushuev A. The Dynamic Substance-Field Analysis in ARIZ //The TRIZ Journal, December 2005. < http://www.triz-joumal.com>

3. Bushuev A. Technical Contradiction Control on Invention Problem//The TRIZ Journal, December 2004. < http://www.triz-journal.com>

4. Бушуев А.Б. Гомеостатика противоречий в ТРИЗ//Труды Международной конференции MA TRIZ Fest -2005 "Развитие ТРИЗ: достижения, проблемы, перспективы". СПб, 2005. с.103-109. Эл. версия < http://www.metodolog.ru/00475/00475.html>

5. Альтшуллер Г.С. Письмо от 17.11. 1982 г.