Морфологічний аналіз

Багато біографів талановитих діячів науки і техніки відзначають у них схильність класифікувати всіх і вся. Ландау, наприклад, в студентські роки склав класифікацію зануд. До першого класу зарахував «гнусів» - грубіянів, забіяк, скандалістів, до другого - «мораліників» (виділяють продукт моралі - моралін), до третього - «пісників» (відрізняються незадоволеним, пісним виразом обличчя), до четвертого - «образливих» (завжди на кого-небудь в образі). Класифікація дозволяє швидше і точніше орієнтуватися в різноманітті понять і фактів. Воно є одним з найважливіших елементів творчої діяльності. Тому не випадково морфологічний аналіз є одним з найбільш поширених методів технічного пошуку, заснований на класифікації.

Термін «морфологія» (вчення про форму: від грецького morphe - форма і logos - учення) ввів у 1796 р. Гете - основоположник морфології організмів, вчення про форму і будову рослин і тварин. Це не часті випадки, коли словотворення поета одержало широке визнання і розповсюдження в багатьох науках (надалі з'явилися морфологія людини, морфологія ґрунтів і т. п.).

Автор нового методу пошуку Ф. Цвікни, відомий швейцарський астроном, не дав розгорненого визначення поняттю «морфологічний аналіз». Він лише вказав, що це – метод знаходження всіх варіантів вирішення проблеми. Вперше морфологічний аналіз був застосований для вирішення технічних завдань у 1942 р., коли Ф. Цвікки почав розробляти ракетні двигуни у фірмі «Аероджент інжиніринг корпорейшн». Як же здійснюється пошук нових технічних рішень за правилами, запропонованими Цвікки? Розглянемо хід роботи по морфологічному аналізу на умовному прикладі. Припустимо, що ми вперше приступаємо до розробки конструктивної схеми місяцеходу. За правилами Цвікки ми повинні, перш за все, визначити параметри, від яких залежить вирішення проблеми. У нашому конкретному випадку це будуть основні функціональні вузли місяцеходу. Складемо їх список: А - двигун; Б – рушій; В — кабіна; К - система амортизації. Часто навіть досвідчені конструктори не відразу можуть виділити і дати узагальнені визначення функціональних вузлів конструйованих ними пристроїв. Після складання списку функціональних вузлів указують можливі варіанти їх виконання. Результати можуть бути представлені у вигляді схем або списків, наприклад, так:

Двигуни: А1 – електричний, А2 – хімічний, А3 – реактивний, А4 — ядерний.

Рушії: Б1 – колісний (звичайні колеса), Б2 – моноколесо (кабіна усередині колеса), Б3 – гусеничний, Б4 – що крокує, Б5 – лещатний.

Кабіни: В1 – герметична, В2 – негерметична.

Система амортизації: К1 – спеціальні амортизатори, К2 – амортизація за рахунок двигуна, К3 – без амортизації.

На основі списку будується так званий морфологічний ящик. Він може бути представлений у вигляді спеціальної таблиці або у вигляді морфологічної матриці, по своєму зовнішньому вигляду схожою на математичну матрицю. Наприклад, для нашого місяцеходу матриця матиме вигляд: А1 А2 А3 А4; Б1 Б2 Б3 Б4 Б5; В1 В2; … К1 К2 К3. Ця матриця – символічна форма опису рішень. Вона дає уявлення про всі можливі конструктивні схеми місяцеходу. Кожен конкретний варіант конструкції – набір елементів з різних рядків. Наприклад, варіант А1 – Б1 – В2 –... – К1, відмічений у матриці, - місяцехід з електричним двигуном, колісний з негерметичною кабіною і спеціальними амортизаторами. Загальне число варіантів, що містяться у матриці, рівне добутку чисел елементів у кожному рядку. У нашому випадку воно рівне 4^х5^х2^х...^х3. Побудувавши матрицю, проводять оцінку варіантів і вибирають якнайкращий. Чим же принципово відрізняється процес морфологічного аналізу від простого перебору варіантів і які переваги він дає? За допомогою морфологічної таблиці ми знаходимо поле можливих рішень, як би вносимо до цього поля грати і бачимо «урожай» у кожній клітинці. Причому поле можливих рішень потрібно уміти представити не тільки на площині, але і об'ємно. Таким чином, морфологічний аналіз полегшує отримання сотень і тисяч нових поєднань, дає можливість окинути їх єдиним поглядом і систематично досліджувати. Але легкість отримання цих варіантів несе в собі і «отруту» методу. Адже одержану масу варіантів потрібно проаналізувати, оцінити, виділити кращі. Завдяки Свіфту, ми з дитячих років знаємо, до чого може привести нестримне комбінування різними ознаками. От як у «Подорожі Гуллівера» описано один з невгамовних поклонників комбінаторики: " Тут професор підвів мене до рами, - розповідає Гуллівер, - з боків якої стояли усі його учні. Поверхня її складалася з безлічі дерев'яних дощечок. Усі вони були зчеплені між собою тонкими дротами. Дощечки були обклеєні шматочками паперу, і на цих папірцях написані всі слова мови бальнібарбі. Професор попросив уваги. По його команді учні узялися за залізні рукоятки, вставлені по краях рами, і швидко повернули їх. Усі дощечки перекинулися, і розташування слів абсолютно змінилося. Тоді професор наказав тридцяти шести учням повільно читати рядки, що утворилися. Якщо траплялося, що три або чотири слова складали частину осмисленої фрази, її диктували іншим чотирьом учням, що виконували роль писарів... Учні займалися цими вправами по шість годин на день, і професор показав мені безліч фоліантів, списаних подібними уривчастими фразами. На підставі цього багатющого матеріалу професор розраховував скласти повний огляд усіх наук і мистецтв".

Отже, за дивовижну легкість отримання варіантів при використанні морфологічного методу доводиться розплачуватися великою трудомісткістю при виборі варіантів. Той, хто побудував хоч би одну морфологічну таблицю для вирішення практичного завдання, знає, які суперечливі спокуси при цьому виникають. Хочеться не упустити цікаві варіанти, зробити матрицю якомога повнішою. І у той ж час треба добитися її максимальної компактності, інакше аналіз варіантів перетвориться на заняття, подібне до вправ професора з «Подорожі Гуллівера». З цих причин морфологічний аналіз частіше застосовують не для пошуку якого-небудь одного ефективного рішення, а коли потрібно досліджувати область можливих рішень, наприклад, якщо потрібно розглянути конструкції датчиків тиску для машин різних класів, що працюють у різних кліматичних зонах. Тут можна привести таку аналогію. Менделєєв, працюючи над впорядкуванням системи хімічних елементів, не ставив перед собою мету, безпосередньо пов'язану з відкриттям нової «цеглинки Всесвіту». Але класифікувавши елементи, побудувавши їх як матрицю, він зміг передбачити властивості декількох невідомих елементів. Незабаром, як відомо, вони були знайдені експериментаторами. Аналогічно при побудові морфологічного ящика мета не повинна зводитися тільки до пошуку окремих рішень. У результаті глибокого морфологічного аналізу можна дійти нового погляду на все поле можливих рішень, а звідси недалеко і до принципово нових напрямів удосконалення конкретного технічного об'єкту.

Ф. Цвікки не сформулював чітких правил, завдяки яким можна було б добиватися необхідної компактності і у той же час достатньої місткості морфологічних таблиць, але на конкретних прикладах він показав ефективність свого методу. У 1943 р. він побудував морфологічну матрицю для реактивних двигунів, що працюють на хімічному паливі. Матриця Цвікки містила 576 можливих варіантів, в числі яких були і схеми надсекретних тоді німецьких літаків-снарядів ФАУ-1 і ракети ФАУ-2.

У 1961 р. було створено «Суспільство морфологічних досліджень» на чолі зі Цвікки. Морфологічний аналіз як метод пошуку нових, технічних ідей і рішень набув досить широкого поширення. За твердженням Цвікки, більш ніж 70 крупних промислових фірм використовують його метод при рішенні різноманітних технічних задач.

Морфологічні методи у 50 – 60-ті роки знайшли широке поширення в США, Західній Європі, а також у нашій країні (праці В.М. Одрина і С.С. Картавова). Ф. Цвіккі розробив декілька модифікацій свого методу. Одна з таких модифікацій подана у табл. 4.1., у якій приведені різні технологічні принципи обробки металів.

Таблиця 4.1.