В алгоритме решения изобретательских задач важной проблемой является разработка единого метода формализации задачи и методических инструментов. Для ее успешного решения предлагается использовать топологическую модель текста на естественном языке из высказываний (ЕЯ-текста).

Идея топологической интерпретации логических исчислений впервые была предложена А. Тарским в 1938 г. и с тех пор практически не применялась в прикладных задачах. Для того чтобы использовать эту модель, предложен способ представления ЕЯ-текста в виде конечной замкнутой системы множеств, которая удовлетворяет аксиомам определения топологического пространства [1, с. 15, 2, с. 7]. Описание задачи, методических инструментов и базы знаний в виде топологического пространства позволит существенно упростить создание единого метода формализации в ТРИЗ.

Данная тема начата по рекомендации академика РАЕН Савиных Юрия Александровича, который в течение многих лет успешно использует методы ТРИЗ в своих исследованиях.

1 Теория решения изобретательских задач

Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ) разработана советским ученым Генрихом Альтшуллером [3, с. 6]. На первоначальном этапе развития основная идея ТРИЗ заключалась в выявлении и использовании законов, закономерностей и тенденций развития технических систем.

В начале становления на ТРИЗ возлагались следующие функции:

1 Решение творческих и изобретательских задач любой сложности и     направленности без применения метода перебора вариантов.

2 Решение научных и исследовательских задач.

3 Выявление проблем и задач при работе с техническими системами при их развитии.

4 Выявление и устранение причин брака, аварийных и других внештатных ситуаций.

В состав структуры ТРИЗ входят следующие элементы (рисунок 1):

1 Законы развития технических систем.

2 Информационный фонд.

3 Вепольный (структурный вещественно-полевой) анализ технических систем.

4 Алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ).

5 Методы развития творческого воображения.

Рисунок 1 Структура ТРИЗ

АРИЗ представляет собой программу (последовательность действий) по выявлению и разрешению противоречий, возникающих при решении задач. АРИЗ включает: собственно последовательность действий, информационное обеспечение, реализованное на основе информационного фонда, а также методы управления психологическими факторами, которые являются составной частью методов развития творческого воображения. Кроме того, в АРИЗ входят элементы, реализующие выбор задачи и оценку полученного решения.

Первоначально ТРИЗ создавался для решения изобретательских задач в технических системах. Сегодня ТРИЗ используется для решения задач в различных областях:

- бизнес,

- естественные науки,

- педагогика,

- литература,

- искусство и т.д.

Главное препятствие в развитии ТРИЗ (по одному из мнений) это отсутствие методологии анализа исходной проблемной ситуации, диагностирования и прогнозирования проблем как источника постановки целей усовершенствования.

2 Топологическая модель текста на естественном языке

из высказываний

2.1 Топологическое пространство на основе текста из высказываний

В [1, с. 15, 2, с. 7] предложена схема построения полного множества ALL альтернативных атомарных высказываний, которые описывают отношения между объектами в исходном ЕЯ-тексте TEXT. Для примера будем использовать текст из одного высказывания «Где бы ни был Сэм, Фред всегда рядом».

1 ЕЯ-текст записывается в виде списка LIST формул языка исчисления предикатов.

2 На основе LIST формируется расширенный текст TEXT_ATOM из атомарных высказываний, в котором высказывания, моделируемые замкнутыми формулами, заменены составными, описывающими отношения между конкретными объектами. В TEXT_ATOM в высказываниях явно присутствуют сказуемые и пропозициональные связки, которые в исходном тексте могут быть «по умолчанию». В TEXT_ATOM сказуемые связывают два конкретных объекта. В атомарных высказываниях конкретные объекты не имеют структуры, являются «неделимыми». Ими могут быть предметы, числа, абстрактные объекты, а также в специальных случаях функциональные выражения (термы). Например, в высказывании Фред, Сэм – конкретные объекты, терм x не является конкретным объектом. Полученный на основе примера текст TEXT_ATOM имеет вид: «Если Сэм в парке, то Фред в парке. Если Сэм в доме, то Фред в доме».

3 На основе расширенного текста TEXT_ATOM формируется множество

ATOM атомарных (без пропозициональных связок) высказываний. В примере ATOM = {Сэм в доме, Сэм в парке, Фред в парке, Фред в доме}.

4 Формирование множества O конкретных объектов, отношения между которыми описывают атомарные высказывания из ATOM.

 набор объектов i-го сорта. В примере O = {Сэм, Фред, парк, дом}.

5 Дополнение множества ATOM атомарных высказываний до полного ALL путем генерации альтернативных атомарных высказываний.

полный набор альтернативных атомарных высказываний, описывающих альтернативные отношения между конкретными объектами o_i и o_j. Для примера выше получим:

 дополнением высказывания “Фред в парке” будет высказывание “Фред не в парке”;


ALL(Фред, парк) = {Фред в парке, Фред не в парке}.

Критерием полноты множества ALL являются следующие два требования:

 при произвольном значении высказываний исходного текста каждый непустой полный набор ALL(o_i, o_j) содержит только одно истинное атомарное высказывание;

 полные наборы ALL(o_i, o_j) и ALL(o_l, o_n) при {o_i, o_j} < > {o_l, o_n} не пересекаются.

В примере ALL = {Сэм в доме, Сэм не в доме, Сэм в парке, Сэм не в парке, Фред в доме, Фред не в доме, Фред в парке, Фред не в парке}. Множество P(ALL) подмножеств множества ALL имеет вид

P(ALL) = {{Сэм в доме}, {Сэм не в доме}, …, {Сэм не в парке}{Фред в парке}, … }.

P(ALL) удовлетворяет аксиомам определения топологического пространства:

 объединение всякого множества элементов системы P(ALL) является элементом P(ALL),

 пересечение любых двух элементов P(ALL) является элементом P(ALL).

Таким образом, пара <ALL,P(ALL)> – это топологическое пространство, точки которого  атомарные высказывания.

Элементы P(ALL) можно рассматривать как теоретико-множественную интерпретацию всевозможных атомарных и составных высказываний, которые можно построить из элементов множества ALL. P(ALL) содержит комбинации из атомарных высказываний и их отрицаний, которые рассматриваются как множества, атомарные высказывания являются одноэлементными множествами. Элементы P(ALL) можно получить также путем объединения или пересечения других множеств из P(ALL), всякое высказывание в виде множества также можно получить как дополнение другого множества.

Наибольшие трудности при машинной реализации списка вызовет п. 1, поскольку основной недостаток языка исчисления предикатов
состоит в его ограниченной выразимости. Существует множество фактов и взаимосвязей, которые тяжело или даже невозможно выразить средствами математической логики. Например, такое логичное с точки зрения человека умозаключение, как «Человек колет дрова топором, топор – острый, следовательно, человек колет дрова легко», на языке логики предикатов непредставимо, поскольку содержит так называемый сценарный, а не логический вывод. В данном случае потребуются машинные алгоритмы, которые восстанавливают предикаты, отсутствующие в исходном тексте в явном виде. У рядового пользователя эти предикаты присутствуют в сознании в режиме «по умолчанию».

Подобные умозаключения могут использоваться в ТРИЗ. Для их представления несложно в диалоге расширить текст высказыванием «Если топор – острый, то человек колет дрова легко». В случае диалогового режима нет принципиальных ограничений на создание транслятора исходного текста с выходом на топологическую модель.

2.2 Топологические модели логических исчислений

Предложенные в [1, с. 6] модели сформированы на основе интерпретации MOD классического исчисления высказываний
P
с одной логической операцией . В P
нет символов и всякая элементарная формула  это либо 0, либо пропозициональная переменная X_k.

В MOD пропозициональные переменные интерпретируются как переменные, пробегающие множество P(E) всех подмножеств произвольного множества E, константа 0  как пустое множество, а импликации где M(A) и M(B) – множества, интерпретирующие переменные A и B. Множество P(E) подмножеств множества E удовлетворяет аксиомам определения топологического пространства.

Если после интерпретации формула тождественно равна E, то говорят, что эта формула тождественно истинна или общезначима в данной модели. В модели MOD
общезначимы все аксиомы исчисления P
и все выводимые в P формулы. MOD является точной моделью, поскольку всякая общезначимая в ней формула выводима в P.

В моделях логических исчислений в [1, с. 6] для обеспечения очевидности интерпретации операций в качестве носителя топологического пространства T=<E, P(E)> используется множество E всевозможных атомарных отношений. E формируется на основе полного множества атомарных высказываний ALL и их отрицаний, P(E) – множество подмножеств множества E. Каждый элемент E – это атомарное множество отношений M(A), которое описывает атомарное высказывание A. Очевидно, что множества ALL и E, а также множества P(ALL) и P(E) эквивалентны.

В [1, с. 6] рассмотрены перспективные в прикладных задачах модели исчисления предикатов, а также точные модели классического исчисления высказываний, в которых всякая топологически общезначимая формула выводима в исчислении и наоборот. Модели проблемной области на основе точных моделей существенно упростят постановку и решение многих прикладных задач, поскольку они наследуют все основные свойства разрешимого классического исчисления высказываний.

2.3 Топологическая модель в прикладных задачах

искусственного интеллекта

Предложенные в [1] топологические модели и способ топологической интерпретации текста из высказываний обладают важными для приложений свойствами:

 замкнутость модели текста относительно правил вывода и относительно произвольных операций в динамически изменяющихся базах данных,

 выводимость в исчислении высказываний всех формул, общезначимых в точных топологических моделях и наоборот,

 непротиворечивость модели, что делает ее удобной для пополнения новыми знаниями,

 стандартное представление данных и знаний в терминах атомарных высказываний, позволяющее избежать нерегулярностей и двусмысленностей,

 простой способ формирования отрицания формулы в рамках области интерпретации.

В [1, с. 49] выделено два вида стандартного представления правил в расширенном тексте TEXT_ATOM:

 на логическом уровне стандартной формой является хорновское высказывание

,

 при машинной реализации, соответственно, высказывание – атомарные высказывания или их отрицания из ALL.

Тождество выше означает, что при машинной реализации расширенного текста TEXT_ATOM дизъюнкты Хорна можно представить в виде набора импликаций
 записей индексного файла с одинаковой структурой, . После представления высказываний в виде списка атомарных импликаций TEXT_ATOM будет включать как атомарные высказывания A_i и их отрицания, так и составные высказывания из атомарных импликаций .

Машинное представление всех данных и знаний в виде индексных файлов с записями одинаковой структуры позволит:

 существенно сократить время поиска за счет индексного доступа к файлам из атомарных импликаций,

 осуществлять одношаговый поиск по индексу формул Хорна

с истинными гипотезами A₁, A₂, …, A_n (см. рис. 2),

 автоматически решать, какие формулы в модели позволяют вывести истинное высказывание A_j из гипотез A₁, A₂, …, A_n, а какие не позволяют,

 автоматически исключить с помощью индексного доступа формулы , анализ которых считается бесперспективным,

 эффективно использовать индексный доступ в задачах экспоненциальной сложности,

 существенно увеличить эффективность дедуктивного вывода за счет сокращения пространства поиска посредством индексного доступа к данным и знаниям.

3 Топологическая модель в задачах АРИЗ

3.1 Единый метод формализации задачи и методических инструментов

В АРИЗ актуальной является проблема ликвидации дистанции между

физическим противоречием, формулируемым в АРИЗ при анализе задачи, и нахождением конкретного способа его разрешения [4, с. 5].

Ключевым вопросом этой проблемы является создание единого метода формализации задачи, с одной стороны, и существующих методических инструментов ТРИЗ с другой. Ее решение позволило бы “перекидывать мостик” от изобретательской задачи к конкретным знаниям, необходимым для ее решения.

Выше в п. 2.1 описана схема формирования исходного описания задачи на естественном языке в виде расширенного текста TEXT_ATOM из атомарных высказываний. Отдельно рассмотрим структуру и основные свойства стандартного представления ЕЯ-текста в виде TEXT_ATOM.

1 На логическом уровне текст TEXT_ATOM содержит выражения двух типов: факты A₁, A₂, …, A_n
и правила , где A₁, A₂, …, A_n
 атомарные высказывания.

2 В TEXT_ATOM сказуемые в атомарных высказываниях A_j связывают два конкретных объекта, которые не имеют структуры, являются «неделимыми». Ими могут быть предметы, числа, абстрактные объекты, а также в специальных случаях функциональные выражения (термы).

3. В машинной реализации текста TEXT_ATOM дизъюнкты Хорна представлены в виде набора импликаций
 записей индексного файла с одинаковой структурой, .

В методе резолюции используются дизъюнкты Хорна, которые содержат не больше чем одну положительную литеру. В общем случае они имеют вид . В предлагаемой модели нет необходимости в этих ограничениях, т. к. область интерпретации формируется на основе множества высказываний ALL, которое содержит атомарные высказывания и их отрицания. Последнее означает, что произвольный дизъюнкт путем замены отрицаний другими атомарными высказываниями можно свести к формулам Хорна. Например, высказывание “Если нет температура >20, то Сэм дома” при такой замене примет хорновский вид “Если температура <= 20, то Сэм дома”.

Так как база знаний содержит атомы и их отрицания, ограничения, вызванные хорновскими формулами, будут не существенны.

Такой формат исходного описания можно рассматривать как стандартную форму логического и машинного представления задачи и методических инструментов ТРИЗ. На основе предложенного стандартного текста можно сформировать универсальные формальные модели, с разных позиций описывающие задачу и методические инструменты.

Рассмотрим возможный пример поэтапного описания исходной ситуации в свободной и в стандартной формах [5, с. 2].

1) Для изучения вихреобразования макет парашюта (вышки и т. п.) размещают в стеклянной трубе, по которой прокачивают воду.

ЕСЛИ

наблюдатель изучает вихреобразование, ТО

макет парашюта размещен в стеклянной трубе.

ЕСЛИ

наблюдатель изучает вихреобразование, ТО

в стеклянной трубе прокачивают воду.

2) Наблюдение ведут визуально.

ЕСЛИ

наблюдатель изучает вихреобразование, ТО

наблюдатель НЕ использует измерительные приборы.

3) Однако, бесцветные вихри плохо видны на фоне бесцветного потока.

ЕСЛИ

наблюдатель видит бесцветные вихри И

наблюдатель видит бесцветный поток, ТО

наблюдатель НЕ изучает вихреобразование.

4) Если окрасить поток, наблюдение вести еще труднее: черные вихри совсем не видны на фоне черной воды.

ЕСЛИ

наблюдатель видит окрашенную воду, ТО

наблюдатель НЕ изучает вихреобразование.

5) Чтобы выйти из затруднения, на макет наносят тонкий слой растворимой краски — получаются цветные вихри на фоне бесцветной воды.

ЕСЛИ

наблюдатель изучает вихреобразование, ТО

на макете тонкий слой краски.

ЕСЛИ

наблюдатель изучает вихреобразование, ТО

вода НЕ имеет цвета.

6) К сожалению, краска быстро расходуется.

ЕСЛИ

текущееВремя >= момент начала эксперимента И

текущееВремя <= момент окончания эксперимента И

на макете тонкий слой краски ТО

наблюдатель изучает вихреобразование.

7) Если же нанести толстый слой краски, размеры макета искажаются,

наблюдение лишается смысла.

ЕСЛИ

на макет НЕ тонкий слой краски, ТО

макет меняет форму.

ЕСЛИ

макет меняет форму, ТО

наблюдатель НЕ изучает вихреобразование.

8) Как быть ?

ЕСЛИ

X ТО

наблюдатель изучает вихреобразование,

где X – неизвестное составное высказывание.

Рассмотри итоговую формулировку задачи [5, с. 3].

«Необходимо доставить информацию о вихрях наблюдателю. Для этого требуется выполнить действие Красить вихри в период времени От момента начала эксперимента, до момента окончания эксперимента при ограничениях Нельзя изменять способ изучения вихреобразования (при помощи потока воды)».

Задача в стандартной форме TEXT_ATOM:

ЕСЛИ

текущееВремя >= момент начала эксперимента И

текущееВремя <= момент окончания эксперимента И

вихри окрашены краской И

вихреобразование изучается при помощи потока воды ТО

наблюдателю получает информацию о вихрях,

(в условии выше опущено требование: вихри окрашены только в период наблюдения).

Рассмотрим некоторые задачи, каждая из которых, возможно, потребует свой метод формализации на основе предлагаемой модели.

1 Разработка универсальных методов уточнения исходного описания задачи, требований и решений.

2 Создание методологии анализа исходной проблемной ситуации, диагностирования и прогнозирования проблем как источника постановки целей усовершенствований.

3 В работе Т. Кенгерли проведены фундаментальные исследования метода аналогии при переносе технических решений в изобретательском творчестве. Этот метод в настоящее время не нашел инструментального развития, однако следует ожидать, что на основе единой топологической модели описания задачи и инструментов ТРИЗ он будет формализован и получит развитую машинную реализацию [7, с. 12].

4 Определение четких механизмов перехода от сформулированного противоречия к его практическому разрешению. Их отсутствие создает серьезные сложности в решении реальных задач с помощью АРИЗ.

5 Создавая информационный фонд, Альтшуллер стремился приблизиться к идее создания универсальной базы знаний ТРИЗ. Такое средство позволило бы существенно повысить его эффективность, сократив существующую сейчас дистанцию между физическим противоречием, формулируемым в АРИЗ при анализе задачи, и нахождением конкретного способа его разрешения (идеи решения) [4, с. 4].

Универсальную базу знаний можно создать на основе предлагаемого стандартного представления описания задачи и инструментов ТРИЗ на естественном языке. В этом случае мы получим одинаковые по структуре индексные файлы.

6 По мнению специалистов препятствием в развитии ТРИЗ является отсутствие единой методологии анализа исходной проблемной ситуации, диагностирования и прогнозирования проблем как источника постановки целей усовершенствования. Создание единого языка при описании задач анализа, диагностирования и прогнозирования будет важным элементом указанной методологии.

3.2 Логика в АРИЗ

Очевидная алгоритмическая направленность ТРИЗ выводит на первый план задачу формализации и последующей автоматизации ее методов. Описание задачи, методических инструментов ТРИЗ и программные модули обязательно должны быть встроены в некоторую единую логическую структуру, что вполне обеспечивает предлагаемая топологическая модель [9].

При машинной реализации ТРИЗ приходится сталкиваться с неполной, неточной, противоречивой или нечеткой информацией. Рассуждения ТРИЗ часто всего лишь правдоподобны и должны подвергаться пересмотру (ревизии). Для представления такой информации, ее семантического анализа и обоснования выводов следует использовать нетрадиционные, «нестандартные» логики, являющиеся расширением классических.

Классическая логика формализует строго корректные рассуждения и, к сожалению, не принимает во внимание некоторые аспекты человеческих рассуждений (здравый смысл, неопределенность, противоречивость, нечеткость информации) [8, с. 249]. В результате сравнения выясняется, что «ход рассуждения» автоматической процедуры мало совпадает с человеческим.

Методы достоверного (дедуктивного) и правдоподобного (абдуктивного, индуктивного) выводов в интеллектуальных системах подробно изложены в [8].

Если мы хотим моделировать такие аспекты человеческих рассуждений как здравый смысл, неопределенность, противоречивость информации и т. п., то дедукции будет совершенно недостаточно, и нужно привлекать не дедуктивные или правдоподобные формы рассуждений, такие как абдукция и индукция.

В настоящее время признано, что рассуждения человека в процессе нахождения объяснений адекватно моделирует абдуктивный вывод.

3.3 Программа и методы поиска

В настоящее время проведены исследования по использованию компьютеров в ТРИЗ, результатом которых стало создание программных комплексов, позволяющих на доступном пользователю уровне использовать машинные алгоритмы и базу знаний для решения самых разнообразных изобретательских задач из технических и нетехнических сфер деятельности [4, с. 5].

Предлагаемая топологическая модель описания задачи и инструментов ТРИЗ удобна для программной реализации, выполнения логического вывода в рамках объединенного представления задачи, найденных стандартов и патентов. В модели выделены все импликации, который пользователь может использовать в своих целях.

Модель позволит создать компьютерные базы знаний, управляемые на основе идей ТРИЗ. Ее также можно использовать при обеспечении машинной адаптации найденного ресурса (вещества, поля, устройства и др.) к конкретным техническим условиям [9].    

Проблема поиска и использования сходных решений впервые была озвучена Г. Альтшуллером. Позднее на ее основе сформированы методы функционально-ориентированного поиска (ФОП).

ФОП высоко актуален, так как ориентирован на использование готового ресурса – огромного количества существующих технических систем и технических решений. В перспективе это может значительно уменьшить трудозатраты при поиске новых решений.

В настоящее время методические основы ФОП разработаны достаточно хорошо. При этом методология использования патентной информации в ТРИЗ до сих пор недалеко ушла со времен Г.С.Альтшуллера. Поэтому до сих пор, несмотря на наличие общей идеологии, практическое выполнение ФОП включает элементы «искусства», а его результаты сильно зависят от опыта и квалификации аналитика.

Для повышения качества и эффективности поиска в информационном фонде и патентах разумно использовать более глубокий индексный доступ в файлах из атомарных импликаций .

Например, рассмотрим формулу изобретения из патента

http://ru-patent.info/21/05-09/2109271.html в стандартной форме TEXT_ATOM.

Пенетрант на водной основе для контроля поверхностных и сквозных дефектов, содержащий водорастворимый краситель и смачиватель, отличающийся тем, что в качестве

красителя используется

п-аминобензоат-1,4-диметил-5-(4-диэтил-амино) – азофенил-1,2,4-триазолия,

в качестве смачивателя — изопропиловый спирт и дополнительно введен кислотный буфер, например уксусная кислота,

при следующем соотношении компонентов, мас.%:
п-Аминобензоат-1,4-диметил-5-(4-диэтиламино) -азофенил-1,2,4-триазолия- 2–3
Изопропиловый спирт – 2 – 3
Уксусная кислота (ледяная) – 3 – 4
Вода дистиллированная – Остальное

Формулу изобретения без состава компонентов с учетом требований модели можно переписать в стандартной форме:

ЕСЛИ

наблюдатель контролирует поверхностные дефекты И

наблюдатель контролирует сквозные дефекты ТО

наблюдатель использует пенетрант на водной основе И

пенетрант на водной основе содержит краситель И

краситель     растворим в воде И

пенетрант на водной основе содержит смачиватель И

краситель – это п-аминобензоат И

смачиватель содержит изопропиловый спирт И

смачиватель содержит кислотный буфер И

кислотный буфер – это уксусная кислота.

На языке исчисления высказываний формула примет вид:

P₁ = наблюдатель контролирует поверхностные дефекты,

P₂ = наблюдатель контролирует сквозные дефекты,

Q₁ = наблюдатель использует пенетрант на водной основе,

Q₂ = пенетрант на водной основе использует краситель,

Q₃ = краситель растворим в воде,

Q₄ = пенетрант на водной основе использует смачиватель

Q₅ = краситель – это п-аминобензоат,

Q₆ = смачиватель содержит изопропиловый спирт,

Q₇ = смачиватель    содержит кислотный буфер,

Q₈ = кислотный буфер    – это уксусная кислота.

Формулу можно выразить через хорновские дизъюнкты:

.

Ориентировочная оценка времени доступа к записям индексного файла из атомарных импликаций приведена в таблице 1.

Таблица 1 – Время доступа к записям индексного файла

Заключение

В статье кратко описана топологическая модель текста на естественном языке из высказываний. При формировании на основе этой модели стандартного метода формализации задачи и методических инструментов ТРИЗ и их машиной реализации необходимо провести следующие исследования.

1 Машинный алгоритм представления ЕЯ-текста в стандартном виде.

При реализации алгоритма трудности вызовет машинное (не диалоговое) представление исходного ЕЯ-текста на языке исчисления предикатов, поскольку основной недостаток этого языка заключается в его ограниченной выразимости. Более подробно эти трудности и возможные способы их устранения описаны выше в п. 3.1.

2 Методы поиска

В стандартной форме описание задачи и методических инструментов включает как атомарные высказывания A_i и их отрицания, так и правила (составные высказывания) вида

            (1)

Для повышения качества и эффективности поиска в информационном фонде (ИФ) высказывания (1) следует представить в виде индексных файлов с записями одинаковой структуры атомарные высказывания. В результате в машинном виде правила в ИФ – это одинаковые по структуре файлы.

В каждой задаче при работе с этими файлами следует сформировать свою систему индексации для поиска желаемых результатов. При работе с патентами после их поиска реально сделать машинный алгоритм представления патентов в предлагаемой стандартной форме. Пример системы индексации для поиска желаемых хорновский дизъюнктов см. в [1, с. 21], алгоритм – на рисунке 2.

3 Метод формализации информационного фонда.

Выше в п. 3.1 рассмотрены задачи, каждая из которых, возможно, потребует свой метод формализации.

С человеческой точки зрения все рассматриваемые и анализируемые системы имеют функции, которые мы в зависимости от нашего к ним отношения делим на «полезные» и «вредные». Среди функций может быть выделена Главная полезная функция — ГПФ. В некоторых случаях можно использовать понятие Главная вредная функция — ГВФ, однако ГПФ и ГВФ вполне обратимы. Например, для палача ГПФ топора — «Рубить голову», а для того, кому голову рубят — это не ГПФ, а совсем наоборот. Главная полезная функция задается надсистемой системы. В первом случае надсистема — палач, во втором — осужденный.Понятие ГПФ предложено в ТРИЗ и ФСА для технических систем, но вполне применимо и для иных. Рассмотрим систему Заяц. В зависимости от наших интересов заяц может быть охарактеризован по-разному, т. е. ему можно дать разные определения. Например, заяц — род животных семейства зайцевых, отличающийся длинными ушами и разной длиной передних и задних лап. Другое определение: «заяц» — пассажир, не оплативший проезд. Третье: заяц — основа для блюда из боровой дичи, сочетающаяся с тонкими ингредиентами и требующая предварительного замачивания в холодной воде. Определения даны по одной схеме: система, являющаяся частью надсистемы, отличающаяся главной подсистемой (подсистемами).

Фактически в приведенном примере рассмотрены три разные системы, которые имеют разные ГПФ, отражающие принципиально различные интересы разных исследователей, разных людей. В первом случае ГПФ зайца — быть животным, во втором — ехать в общественном транспорте без оплаты проезда, в третьем — служить едой. Соответственно, в первом случае это система и ГПФ естествоиспытателя, зоолога, во втором — контролера, в третьем — гурмана. Три разных человека — три ГПФ — три системы.

Теперь рассмотрим системы, для которых нас интересует не только нынешнее состояние системы, но и путь ее развития. Например, линия развития системы Видеоролик при ГПФ «Передавать звук и изображение» от прошлого к настоящему можно представить так: поведение и обычаи — предания и легенды — сказители — барды и менестрели — театральное представление — фильм — видеоролик.

При ГПФ «Приукрашивать реальность» линия развития системы с тем же названием, скорее всего, будет выглядеть следующим образом: верования — сказки — мифы — барды и менестрели — театрализованное представление — радиопередача — немое кино — звуковой фильм — видеоролик.

Системы похожие, но нюансы есть, и существенные. В одном случае мы рассматриваем метод достижения цели, в другом упор делается на приемы достижения цели: спецэффекты, гиперболы, трюки, монтаж, анимация. Как видим, Видеоролик, как и ряд его предшественников, выполняли обе рассмотренные функции, и задача исследователя — выделить ту систему, которая его интересует.

Следует обратить внимание на кажущуюся неоднозначность в терминологии. С одной стороны, говорится о системе и предшествующих системах, т.е. о разных системах, с другой – о развитии одной системы. Противоречия здесь нет, всё определяется подходом. Если мы рассматриваем нынешнюю и предшествующие системы каждую саму по себе, то это разные системы. Если же мы говорим о системе с позиции ГПФ, то это одна развивающаяся система, имеющая разные проявления [12, с. 13].

Таким образом, ГПФ можно представить как основу потребности человека, путеводную нить, ось, на которую нанизываются конкретные системы с конкретными способами удовлетворения потребности. В развитии эти способы совершенствуются, обеспечивая всё лучшее удовлетворение потребности.

Надсистемы развивающейся системы в ее конкретных проявлениях также имеют свои ГПФ, причем, что важно, для всех этих надсистем она едина. Так, для ГПФ систем «Передавать звук и изображение» ГПФ надсистемы может быть, например, «Передавать информацию», а для ГПФ систем «Приукрашивать реальность» ГПФ надсистемы — «Изображать реальность». То же относится к конкретным соответственным подсистемам, характеризующимся своими ГПФ. Аналогичным образом можно рассматривать развитие над-надсистем, над-над-надсистем…, а также под-подсистем, под-под-подсистем и т. д., поскольку все они на своих уровнях являются системами.

Следовательно, мы имеем совокупность линий развития систем разных иерархических уровней, при этом каждая линия характеризует проявления реализации конкретной потребности со своей ГПФ. Для технических систем соответственными, прежде всего, будут линии основных подсистем, определяемых законом полноты частей системы: двигатель, трансмиссия, рабочий орган, орган управления [13, с. 122-123].

Творческое, талантливое мышление подразумевает мышление системное, причем системное как в пространстве, так и во времени. Система в пространстве — это иерархическая система. При этом обычно иерархия понимается не в управленческом, а в системном смысле, когда система состоит из подсистем, которые, в свою очередь, состоят из под-подсистем и т. д.

Системное мышление во времени можно понимать как рассмотрение развития — последовательной смены меняющихся систем с одной ГПФ. Поскольку рассматриваемые системы в пространстве и времени, как и образуемые ими линии не являются независимыми друг от друга, это дает возможность их совместного анализа. Это прекрасно показал Г. С. Альтшуллер, разработавший полиэкранную схему (системный оператор) для анализа систем [13, с. 66-67], и назвавший сильным мышление человека, владеющего анализом полиэкранных схем. Напомним его слова: «Обычное мышление, когда человек видит только то, что дано в задаче. Если задача, допустим, связана с деревом, и человек видит только это дерево. Сильное мышление – когда одновременно работают минимум девять мысленных экранов: человек видит систему, данную в задаче, надсистему, подсистему – три разных этажа. И на каждом этаже – прошлое, настоящее и будущее. То есть надо видеть не только дерево, но и лес, и клеточку дерева. И все это в развитии: прошлое, настоящее, будущее» [14, с. 28].

Таким образом, «вырезав» блок из трех систем, трех надсистем и соответствующих подсистем, мы получаем девятиэкранную схему. Если «вырезанный» блок включает более 9 «экранов», получается многоэкранная (полиэкранная) схема. Важнейшей особенностью этого метода является не только возможность анализа систем прошлого в их развитии, но и способность представлять будущее системы, то есть осуществлять научный прогноз.

В рассматриваемом нами контексте важнейшая задача полиэкранной схемы — эффективно снижать «привязанную» к анализируемой системе психологическую инерцию путем встраивания этой системы в специфическое окружение из восьми или большего числа «экранов». Красивое решение – переход от анализа «точечной» системы и «линии» систем к анализу целой «плоскости». Если вспомнить описанную систему Видеоролик с двумя рассмотренными ГПФ и частично совпадающими конкретными системами, то понятно, что говорить надо скорее не о «плоскостях», а о «поверхностях», образуемых совокупностями систем с их над- и подсистемами.

Как можно еще повысить эффективность такого системного анализа или, другими словами, как в еще большей степени ослабить психологическую инерцию при анализе системы для успешного представления о ее возможных проявлениях и будущем развитии? Судя по всему, надо к нашей системе добавить антисистему, естественно, с ее над- и подсистемами, и, конечно, в многоэкранном варианте. О такой возможности упоминал Г. С. Альтшуллер [13, с. 66-68], она рассмотрена авторами в работе [15].

Не анализируя более частные определения антисистемы, приведем определение, данное Г. Б. Френклахом и Г. А. Езерским: «Антисистема — система, выполняющая по отношению к данной противоположную функцию» [16, с. 26]. Следовательно, в рамках наших рассуждений каждой системе с ее ГПФ надо соотнести анти-ГПФ с соответствующей антисистемой.

Если продолжать рассматривать анализ систем в геометрической аналогии, то выявляется отчетливая тенденция: точка (система) — линия (совокупность систем во времени) — поверхность (совокупность систем, надсистем и подсистем во времени). Но если к рассмотренной поверхности добавляется еще одна — антисистемная, то что же характеризуют в этом случае две поверхности? Конечно, объем. Правда, объем какой-то ущербный, включающий всего две поверхности.

Проанализируем подробнее. Антисистема — это противоположность системе. Для окружности можно считать, что это поворот на 180 градусов. Но если можно на 180, то почему нельзя на 90? Или на еще меньший «угол»?

Рассмотрим пример. Имеется система Автомобиль с ГПФ «Служить для быстрого перемещения». Антисистема с ГПФ «Служить для медленного перемещения» — это, допустим, похоронная процессия. Всё понятно, всё очевидно.

Продолжим рассмотрение. Термин перемещение имеет свои антонимы. Например, неподвижность или фиксация. Тогда перечень ГПФ можно дополнить еще парой анти-ГПФ: «Обеспечить быструю неподвижность» и «Обеспечить медленную неподвижность». Очень необычные ГПФ, полученные из обыденной системы. Обеспечить «Быструю неподвижность» может, например, фотография. Обеспечить «Медленную неподвижность» способны тормозной путь автомобиля или просмотр события в замедленном темпе: событие зафиксировано и неизменно, однако медленно меняется.

Но ГПФ ведь можно уточнить, что часто бывает даже необходимым. В нашем примере уточненная ГПФ может звучать как «Служить для быстрого перемещенияпо городу». Соответственно появляется возможность рассмотреть более частную систему, например, легковой автомобиль. Анти-ГПФ: «Обеспечить быстрое перемещение за городом» — внедорожник, самолет. «Обеспечить быструю фиксацию в городе» может светофор, «Быструю фиксацию за городом» — овраг, глубокая лужа. «Медленное перемещение по городу» — это, например, экскурсия, дорожная «пробка», «Медленное перемещение за городом» — движение по пересеченной местности, бездорожью, «Медленная фиксация в городе» — штрафная автостоянка, «Медленная фиксация за городом» — непогода, грязь.

Иллюстрации, приведенные для каждой ГПФ, безусловно, не полны. Это всего лишь иллюстрации. В нашей геометрической аналогии последние примеры означают поворот на 45 градусов.

Можно пойти еще дальше, расширив ГПФ, например, до «Быстрое перемещение грузов по городу». Таких «22,5-градусных» систем-антисистем будет уже шестнадцать, т. е. с конкретизацией ГПФ количество возможных вариантов возрастает в геометрической прогрессии [15, с. 19].

Увеличение количества систем — антисистем не является самоцелью, но в результате подобного анализа выявляется некая сфера понятий, так или иначе сопряженных с заданной системой. Цель же остается прежней — снижение психологической инерции с соответствующим выявлением новых, иногда принципиально новых решений.

Эта задача чрезвычайно важна при анализе и решении любых творческих задач, при обучении творческой деятельности.

На одном из семинаров-тренингов учащиеся исследовали систему с ГПФ «Приготовить еду». Для формулировки антисистемы потребовалось найти антоним к системе Еда. Минут через пять общего замешательства разобрались: Работа! Ведь еда восполняет энергией, а работа эту энергию потребляет. Без комментариев.

Применительно к полиэкранным схемам описанный подход позволяет проводить анализ в нетривиальном режиме. В стандартном анализе полиэкранной схемы сопоставляются свойства надсистем, систем и подсистем в прошлом и настоящем, и тренды их изменения дают основание для прогноза будущей системы с ее надсистемами и подсистемами. При этом сопоставление подсистем и их свойств производится в определенном смысле «случайным» образом.

В предлагаемом варианте анализ становится более закономерным, а значит более алгоритмизируемым. Так, на уровне надсистемы рассматривается один объект, на уровне системы два: система и антисистема, подсистем в минимальном варианте уже четыре: две подсистемы и две подантисистемы, на уровне под-подсистем — восемь объектов. Таким образом, подразумевается выбор подсистем не «случайным» образом, а по заданному, описанному выше, принципу. В этом случае и выделение изменяющихся свойств, и сопоставление должно проводиться не вообще, а между конкретными парами или линиями объектов: система и системы в прошлом, антисистема и антисистемы в прошлом, надсистема и надсистемы в прошлом и т.д.

Проведенное исследование показывает, что системно-антисистемный анализ является самостоятельным методом, дающим разнообразие возможностей применения в теоретических работах и при решении конкретных задач как в технической, так и в иных областях человеческой деятельности.

Такой анализ может широко использоваться в педагогике, в том числе, для развития творческих способностей школьников, студентов и специалистов разных отраслей.

Выводы:

1. Системно-антисистемный анализ является самостоятельным методом научного исследования, он применим к любым системам.
2. Добавление антисистемных составляющих в полиэкранную схему означает переход к «объему» в мышлении и системных представлениях.
3. Систему и ее развитие определяет формируемая надсистемой Главная полезная функция этой системы. Соответственные системы, надсистемы и подсистемы в полиэкранной схеме должны иметь свои постоянные ГПФ. Нарушение этого правила — свидетельство неправильного построения схемы.
4. Системно-антисистемный анализ является прекрасным инструментом борьбы с психологической инерцией, он дает возможность получения спектра принципиально новых решений.
5. В педагогической деятельности системно-антисистемный анализ может служить для развития логического мышления и творческих способностей.

Модуль РЭА представляет собой сложную систему тел с множеством внутренних источников тепла. Точное аналитическое описание температурных полей невозможно из-за громоздкости задачи и неточности исходных данных. При ручном расчете используют приближенные методы анализа и расчета. Как правило, расчет производится для одного элемента, наиболее критичного по воздействию температур. Такой элемент обладает самой низкой положительной допустимой температурой среди элементов, образующих нагретую зону.

Анализ теплового воздействия на элементы систем является одной из важнейших задач проектирования. Для радиоэлектроники отклонение температуры от заданных диапазонов может привести к необратимым структурным изменениям элементов, изменением диэлектрических свойств материалов, ускорить коррозию материалов либо повысить их хрупкость. При проектировании электронных средств, с точки зрения теплового режима, необходимо учитывать не только собственную температуру элемента, но и влияние тепловых полей остальных элементов, коэффициент линейного расширения, теплопроводность и теплоемкость материалов. Любое изменение температуры относительно нормальной температуры уменьшает срок службы аппаратуры. Неверное размещение элементов, приводит к негативному тепловому режиму.

1.Подходы к реализации теплового моделирования

На стадии подготовки к тепловому моделированию необходимо адекватно оценить предстоящие затраты и требуемые нормы. При их несогласовании работа будет неэффективной; в худшем случае – неверно выполненной. Исходя из вышеизложенного, на первом этапе необходимо оценить: тип изделий, объем производства и возможность изменений проекта. На основе этих данных выбирается среда для теплового моделирования.

Во многих компаниях, занимающихся производством электронной аппаратуры, тепловое моделирование выделяют как отдельный этап маршрута проектирования изделия. Производители САПР динамично отзываются на требования этого рынка. Наблюдается разнообразие подходов к тепловому моделированию: компании изучают пути не только улучшения своего продукта, но и получения большей прибыли. Общим подходом является анализ методом конечных элементов. Его используют Simulate, ANSYS, Mentor Graphics. Российская разработка АСОНИКА использует метод критического пути.

ANSYS Icepak получает общий профиль рассеиваемой мощности и температуры, подключает библиотеки тепловых решений, имеет возможность задания граничных условий периода для теплового моделирования; FloTHERM позволяет инженерам создать математические модели для выполнения теплового анализа; Creo(Simulate) позволяет проводить идеализацию модели, задавая балочные и прочие идеализированные элементы, выполнять анализ установившегося состояния тепловых режимов, задавая стационарные температуры, условия конвекции в пространстве.

На следующем этапе рассматривается модель работы печатной платы: рабочие температуры компонентов, их геометрические параметры; виды теплообмена, типы теплоотвода и охлаждения. Происходит непосредственно моделирование тепловых режимов элементов, построение теплового поля изделия.

Последний этап подводит итоги моделирования: соблюдаются ли тепловые режимы, эффективен ли выбранный метод охлаждения.

Наравне с автоматизированным способом моделирования нагретой зоны существует способ расчета критического элемента. В таком «ручном» расчете система взаимодействующих тепловыделяющих и теплонагруженных элементов упрощается до расчета тепла элемента, обладающего самой низкой положительной допустимой температурой среди элементов ячейки.

2.Анализ задачи теплообмена ячейки методами ТРИЗ

Громоздкость задачи теплового моделирования обусловлено соответствием множеству факторов. Эффективность моделирования определяется используемым набором средств проектирования, типом изделия и объемом производства, возможностью адаптации под технологические изменения. При переходе от сложного к простому, задачу теплового моделирования можно представить как условие, требование и ограничение.

Таблица1. Формулировка задачи теплового моделирования

Тепловое поле платы определяется взаимодействием теплонагруженных и тепловыделяющих компонентов, от чего приходим к противоречию, обусловленным ограниченной площадью платы.

Рисунок 1. Противоречие

Слабым местом нагретой зоны являются теплонагруженные компоненты. Именно по ним можно судить об эффективности моделирования и надежности изделия. При рассмотрении задачи эффективного размещения на печатной плате теплонагруженных элементов были составлены дерево проблем и диаграмма Исикавы.

Рисунок 2. Дерево проблем

Рисунок 3. Диаграмма Исикавы

Исходя из рисунка 3, можно заключить, что основными причинами неэффективного расположения теплонагруженных элементов являются неверный выбор среды разработки, низкая квалификация разработчика, тип системы охлаждения и различное количество тепловыделяющих элементов. Выбор необходимого типа охлаждения может входить в систему расчета теплового поля платы, поэтому рассмотрим цепочку «5 причин» с оставшимися проблемами.

Рисунок 4. Цепочка «5 причин»

3.Концепция системы расчета теплового поля элементов

Сейчас на рынке САПР существует большой выбор инструментов для расчета тепловых режимов ячеек и элементов. Как уже было сказано, их алгоритмы являются закрытым кодом и они не могут быть внедрены в более простые системы проектирования. Решением этой проблемы являются узкоспециализированные продукты, решающие только одну задачу.

Продукты «тяжелых» САПР предлагают широкие возможности разработчикам. Для простых проектов они являются дорогими, требующими большой вычислительной мощности процессора. Если задачу удачного моделирования нагретой зоны сформулировать в ключе соответствия главному критерию, то система расчетов упрощается.

Автономная система решает проблему интеграций между многочисленными средствами теплового моделирования различных САПР. В небольших проектах нет необходимости в аппроксимации до структуры элементов. Используя информацию о структуре платы, можно отойти от разбивания ячейки на области. Для системы расчета тепловых режимов элементов печатной платы необходима реализация широкой библиотеки элементов, их характеристик, взаимодействия; подбор под геометрические параметры, проводники, теплоотводы.

Такая программа расчетов будет актуальна для студентов технических специальностей и начинающих разработчиков: в отличие от «тяжелых» САПР, разработкой может заняться любой без подготовки в специальных областях физики. Использование стандартных теплофизических значений из таблиц также снижает требования к квалификации разработчика, что является решением одной из проблем выявленных во второй части этой статьи. Упрощенный интерфейс расчета тепловых нагрузок и построения распределения тепла позволяет использовать более простые процессоры. Результат моделирования представляется как предложение по оптимальному размещению элементов, в котором будет учитываться температура элемента, тепловое воздействие соседних элементов и теплоотвод по плате. Таким образом, задача сводится к расчетам тела поверхности каждого элемента.